Эксплуатация полигонов твердых коммунальных отходов в условиях северного климата

Введение

Влияние климата на геоэкологические особенности объектов размещения отходов (ОРО) значительно, особенно важно учитывать влажность отходов на одном из этапов жизненного цикла полигона, этапе эксплуатации, близком к завершению. Схема жизненного цикла полигона ТКО представлена на рисунке 1.

Данный этап эксплуатации, с одной стороны, требует соблюдения принципов наилучших доступных технологий (НДТ), с другой — характеризуется значительным негативным воздействием на окружающую среду, в основном в виде выбросов и образования фильтрата.

После размещения и изоляции отходов свалочные массы сначала проходят относительно быстрый (0–2 года) период аэробного разложения, за которым следует длительный период анаэробного разложения (> 10 лет). Процесс образования выбросов от полигона ТКО можно представить в виде последовательности гидролиз à ацидогенез à метаногенез [2].

Несмотря на достаточно широкий спектр составляющих свалочного газа (СГ), образующегося на финальной стадии разложения отходов, основным компонентом СГ является парниковый газ метан (CH₄). Объемы генерирования метана на отдельных этапах эксплуатации объектов размещения отходов различны и зависят от многих факторов: срок службы полигона, морфологический состав отходов, количество и плотность свалочных масс, технология размещения отходов, климатические особенности местности, ландшафт, стратегии промежуточной рекультивации и конфигурации объекта. Помимо метана другими значимыми компонентами свалочного газа выступают диоксид углерода, оксиды азота, являющиеся парниковыми газами, а также некоторые виды нормируемых загрязняющих веществ (сероводород, аммиак, бензол и др.), которые не относятся к парниковым газам.

Анаэробный период наступает ориентировочно через два года после размещения отходов и в северных регионах длится до пятидесяти лет, если не применяются технологии, способствующие катализации метаногенеза. При внедрении НДТ возможно сокращение анаэробного процесса до 25 лет от года захоронения отходов.

Применительно к исследуемому объекту показано количественное изменение состава свалочного газа в зависимости от продолжительности периода эксплуатации (рис. 2).

На этапе, близком к постэксплуатационному, свалочный газ представляет собой смесь различных газов и характеризуется преимущественным содержанием метана в объемной доле более 60 % и диоксида углерода, но также содержит следовые количества других газов, включая водяной пар. Водяной пар образуется при разложении органики в анаэробных условиях. Водяной пар является одним из парниковых газов, способствующих удержанию тепла в атмосфере и влияющих на климатические изменения.

Как показывает ряд исследований, важным лимитирующим фактором образования метана является влажность отходов, на которую влияют количество выпадающих осадков, высота и плотность снежного покрова. Наиболее благоприятные условия для метаногенеза создаются при температуре выше 35 °С внутри тела полигона во влажной среде при относительной влажности отходов 55–80 % [3].

На объектах размещения ТКО потенциал метанообразования может изменяться в диапазоне от 6,2 до 270 м³ на тонну отходов. В зависимости от состава отходов и метеоусловий в регионе расположения ОРО влажность свалочного газа может изменяться в диапазоне 30–50 % [4].

Однако влажность отходов для высоконагруженных полигонов на этапе, близком к завершению эксплуатации, создает определенные техногенные риски, поскольку при высокой влажности создаются неблагоприятные условия для внедрения НДТ по уплотнению тела полигона, что может привести к обвалам. Кроме того, высокая влажность свалочного газа приводит к образованию конденсата и коррозии оборудования при реализации еще одной важной НДТ, а именно: при эксплуатации системы активной дегазации полигона с энергетической утилизацией свалочного газа [5].

В настоящей работе анализируется влияние климатических условий на образование выбросов свалочного газа и фильтрата на объекте размещения отходов.

Особенности полигона ТКО на этапе, близком к постэксплуатационному

Исследуемый объект размещения отходов расположен в северо-западной части Российской Федерации и находится на стадии эксплуатации, близкой к завершению. Проектная мощность объекта составляет 11,5 млн тонн отходов, площадь основания объекта — 36 га. Район расположения полигона характеризуется повышенной влажностью с неравномерным выпадением осадков в течение календарного года. Большая часть осадков выпадает в теплые периоды года, месяц наибольшего количества осадков — август, что обуславливает риск механического смещения (обвала) свалочных масс в сентябре–октябре из-за обильного насыщения свалочных масс влагой и нарушения стабильности наличием фильтрата внутри тела полигона.

Снежный покров устанавливается во второй половине ноября, максимальная его величина достигается в январе. Нарушение устойчивого снежного покрова вследствие температурных изменений и усиления влияния солнечной активности начинается в конце февраля с постепенным таянием снега в марте–апреле, что также оказывает влияние на изменение концентраций загрязняющих веществ как в жидкой фазе — фильтрате, так и в выбросах, образующихся и от разложения свалочных масс, и от испарения жидкой фракции из пруда-накопителя, содержащей в своем составе фильтрат, талые и дождевые воды.

Измерение отдельных компонентов свалочного газа является обязательным в соответствии с программой производственного экологического контроля. Измерению подлежат концентрации метана, сероводорода, аммиака, оксида углерода, бензола, тетрахлорметана (углерода четыреххлористого), трихлорметана (хлороформа), хлорбензола и ртути из шпуров в теле полигона. Результаты измерений концентрации метана над отработанным участком полигона (точка 5), на границе земельного участка (точка 4) и на границе санитарно-защитной зоны (точка 3) приведены на рисунке 3. Расположение точки 4 выбрано с учетом преобладающих ветров, характерных для данной территории. Измерения в указанных точках осуществлялись инструментальным методом на высоте 1,5–3,5 м от поверхности земли в соответствии с требованиями РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» и с учетом метеорологических условий.

Как видно, максимальные концентрации метана наблюдаются над отработанным участком полигона в период интенсивных осадков в конце весеннего и осеннего периодов.

Для расчета образования фильтрата и испарения с поверхности пруда-накопителя предлагается использовать методику, основанную на водном балансе и учитывающую климатические условия и характеристики территории. После сбора данных о природно-климатических характеристиках, таких как температура, влажность и скорость ветра, которые влияют на уровень испарения, расчет испарения воды с поверхности полигона и фильтрата можно выполнить на основе материального баланса по входным и выходным потокам воды:

P – E – Q = ΔS,

где P — атмосферные осадки, E — испарение, Q — сток, ΔS — изменение запасов воды в пруду-накопителе.

Атмосферные осадки, испарение с тела полигона и сток можно рассчитать на основе СТП ВНИИГ 210.01.НТ-05 «Методика расчета гидрологических характеристик техногенно-нагруженных территорий». Результаты расчета образования фильтрата на исследуемом объекте приведены в таблице.

Концентрации загрязняющих веществ в отобранном фильтрате превышают установленные гигиенические нормативы воды по содержанию свинца, никеля, марганца, железаи мышьяка, при этом наибольшее превышение наблюдается по содержанию марганца и железа.

Важно учитывать влияние техногенных факторов, таких как объем фильтрата и его состав, а также особенности конструкции пруда-накопителя, которые могут влиять на испарение. При испарении фильтрата выделяются различные вещества в зависимости от его химического состава и источника: органические кислоты, спирты и другие соединения; неорганические соли — хлориды, сульфаты и карбонаты, растворимые в воде; тяжелые металлы — свинец, кадмий и ртуть, которые могут выделяться в воздух при испарении. В фильтрате также могут присутствовать бактерии и вирусы, которые могут выживать в жидкой среде.

Заключение

При испарении воды из фильтрата в нем остаются концентрированные растворы веществ, что может привести к загрязнению окружающей среды. Фильтрат опасен для окружающей среды на всех этапах жизненного цикла полигонов. Однако на высоконагруженных полигонах на этапе, близком к постэксплуатационному, фильтрат содержит особенно высокие концентрации вредных веществ, включая тяжелые металлы и органические соединения, превышающие предельно допустимые значения для водоемов. Неочищенный фильтрат при отсутствии должных мер контроля и управления может загрязнять как поверхностные, так и грунтовые воды, что делает их непригодными для использования, приводит к снижению биоразнообразия и нарушению природных процессов. Неприятные запахи, выделяемые фильтратом, создают дискомфорт для жителей близлежащих территорий, ухудшают качество жизни и негативно влияют на здоровье людей, вызывая респираторные заболевания.

Для обеспечения безопасной эксплуатации полигонов ТКО в условиях северного климата необходимо уделять особое внимание безопасному обращению с фильтратом и оценивать его вклад в общую картину выбросов от полигона ТКО. Наиболее эффективными мерами управления можно считать сбор фильтрата в дренажную систему и отвод на очистные сооружения с последующим использованием очищенного фильтрата для увлажнения отходов в теплый период года. Для поддержания оптимальной влажности отходов необходимо предотвращать попадание атмосферных осадков на поверхность полигонов путем изоляции свалочных масс.

Вклад автора

Автор подтверждает единоличную ответственность за концепцию и дизайн исследования, сбор и анализ данных, интерпретацию результатов, а также подготовку рукописи.

Author’s contributions

The author confirms her sole responsibility for the study conception and design, data collection, analysis and interpretation of results, and manuscript preparation.