В статье приводится описание основных подходов, применяемых в рекультивации полигонов твердых коммунальных отходов на территории России. Приводится принципиальная методологическая ошибка нормативных требований к защитным сооружениям полигонов ТК и ПО.
В условиях полевого опыта на полигоне твердых бытовых отходов изучена пригодность техногенного грунта, полученного аэробным компостированием отсевов грохочения твердых коммунальных отходов при их сортировке, для использования при рекультивации полигона в качестве плодородного грунта. Изучены агрохимические показатели техногенного грунта и его температурный режим в пределах корнеобитаемого слоя. Проведены исследования по подбору ассортимента трав, наиболее эффективных для задернения исследуемого субстрата. Выявлены существенные различия по эксплуатационным характеристикам у однолетних и многолетних злаковых трав. Особенно перспективны овсяница красная сорт Шилис и овсяница луговая сорт Шведская, которые сформировали плотный травостой, выделяющийся красивой зеленой окраской вплоть до наступления зимних холодов. Установлено, что в травах, выросших на техногенном грунте, содержание тяжелых металлов и нитратов не превышает нормативы для кормовых трав.
Обращение с отходами является одной из основных экологических проблем, которая ни в одной стране мира не решена окончательно [10]. В последние годы в России, как и во всем мире, наблюдается неуклонный рост образования твердых коммунальных (бытовых) отходов (ТКО). Ежегодно в России образуется порядка 35-40 млн тонн ТКО, и, согласно данным Росприроднадзора, только 4-5% из них вовлекаются в переработку, а остальное размещается на полигонах ТКО и несанкционированных свалках [9, 12], несмотря на то, что такой вид обращения с отходами является наименее предпочтительным согласно принятой иерархии методов [10]. Поэтому полигоны будут оставаться основным способом обращения с ТКО в ближайшие 15-20 лет [9, 10] и активное накопление отходов в природной среде продолжится.
Все вышеизложенное в полной мере относится и к городу Санкт-Петербург, на территории которого, по сведениям Росприроднадзора, производится порядка 2 млн тонн ТКО в год, а в Ленинградской области – 900 000 тонн. При этом, для приема этих отходов в Ленинградской области официально существуют около 15 полигонов [10].
Анализ практики складирования ТКО свидетельствует о том, что полигоны ТКО являются источниками длительного негативного воздействия на окружающую среду. Известно, что не только несанкционированные свалки, но и полигоны – комплексы сооружений природоохранного назначения, предназначенные для размещения, изоляции и обезвреживания отходов – могут создавать опасность загрязнения окружающей среды [10, 12].
В соответствии с действующей на территории Российской Федерации нормативной базой (Постановление Правительства РФ №800, от 10.07.2018), завершающим этапом эксплуатации полигонов, направленным на обеспечение санитарных и экологических требований, является рекультивация, которая представляет собой «мероприятия по предотвращению деградации земель и (или) восстановлению их плодородия посредством приведения земель в состояние, пригодное для их использования в соответствии с целевым назначением и разрешенным использованием, в том числе путем устранения последствий загрязнения почвы, восстановления плодородного слоя почвы и создания защитных лесных насаждений».
Полигоны – это специальные сооружения, предназначенные для изоляции и обезвреживания ТКО. Они должны гарантировать санитарно-эпидемиологическую безопасность населения. На полигонах обеспечиваются статическая устойчивость ТКО с учетом динамики уплотнения, минерализации, газовыделения, максимальной нагрузки на единицу площади, а также возможности последующего рационального использования участка после закрытия полигонов, в зависимости от направления рекультивации.
Основной задачей по устройству и возведению полигона является создание необходимых условий для обеспечения защиты окружающей среды, заключающихся в применении инженерных и технических решений, гарантирующих экологическую безопасность района проектирования полигона. Таким образом, основное назначение полигонов – это максимально возможная изоляция их содержимого (отходов) от окружающей среды на неограниченное (фактически бесконечное) время.
Если рассматривать полигон как термодинамическую систему, то по первому закону термодинамики – математическому выражению количественной стороны закона сохранения и превращения энергии – внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий: полигон на стадии окончательной рекультивации представляет собой концентрат (аккумулятор) огромного количества энергии химических связей сложных органических и минеральных веществ. Согласно второму закону термодинамики, устойчивыми являются только системы с низкой энтропией, т.е. основным способом достижения которой является постоянное и эффективное рассеивание легко используемой энергии (энергии окисления органических и минеральных веществ массы отходов). Отсюда следует, что абсолютно изолированная термодинамическая система с большим запасом потенциальной энергии, стабильно существовать продолжительное время не может. В этом заключается принципиальная методологическая ошибка нормативных требований к защитным сооружениям полигонов ТК и ПО, возведение которых рекомендуется рядом нормативных документов.
Логично будет предположить, что устойчивость полигонов ТК и ПО можно значительно повысить, если в комплексе защитных инженерных сооружений предусмотреть внедрение системы контролируемого забора энергии в виде веществ (газ, фильтрат) и (или) тепловой энергии.
Основным продуктом энергетического обмена полигона ТБО с окружающей средой является жидкая фаза отходов (фильтрат), которая образуется за счет инфильтрации атмосферных осадков и перехода в подвижную форму растворимой части бытового мусора. Химический состав отжимной жидкости сильно изменяется в зависимости от возраста полигона и от сезона года [10].
Система сбора фильтрата рассчитывается и устанавливается до начала приема отходов, на поверхность защитного экрана ложа полигона и состоит из (рис. 1):
Дальнейший его путь может быть следующим: либо рециркуляция, либо очистка на локальных очистных сооружениях. Для приведения в соответствие второго способа утилизации фильтрата всем природоохранным нормам необходимы большие капиталовложения и сложные инженерные сооружения, поэтому чаще применяют рециркуляцию фильтрата – поливают (орошают) им массу ТКО на полигоне, предварительно стабилизировав кислотно-щелочной баланс буферными системами.
Такой способ утилизации отжимной жидкости бытовых отходов приводит к снижению токсичности, уменьшению объема (за счет испарения при орошении массы отходов) и ускорению биохимического разложения (за счет увеличения влажности отходов, стабилизации рН растворов внутри полигона, возвращения в зону реакции питательных биофильных элементов (N, P, K, Na) и т.д.), но не решает проблему полностью.
Рис. 1. Пример конструкции дренажной системы полигона ТКО и кольцевых защитных сооружений зоны складирования [10]: 1 – дамба обвалования; 2 – система сбора ливневых и талых вод; 3 – противофильтрационный экран («стенка в грунте»); 4 – дренаж
Структура комплекса активной дегазации ТКО разработана и опробована в странах Западной Европы и США и состоит она из перфорированных горизонтальных и вертикальных труб (коллекторов), устанавливаемых в тело полигона в момент заключительного перекрытия отходов (и/или в процессе послойного заполнения), а также насосной станции и комплекса очистки газа от примесей (состав биогаза может насчитывать около 50 примесей, в основном Н2О, СО2 и NO2). Газ в дальнейшем можно использовать в качестве источника тепловой энергии и электричества. Потенциальная газопродуктивность тонны смешанных ТКО – 120-200 м3 [10], причем время стабильной газогенерации составляет около 10-50 лет.
Пассивные методы дегазации основываются на природных процессах конвекции и диффузии и устанавливаются в местах низкого газообразования и отсутствия перемещения газа. Не применяются для полигонов с внутренними изолирующими слоями и емкостью более 40 000 т, для старых хранилищ ТКО с невысоким уровнем выделения биогаза или для полигонов с высоким уровнем фильтрата.
Скважины для пассивной дегазации монтируются после закрытия полигона (рис. 2), путем устройства буровых колодцев диаметром 50 см до отметки 6-7,5 м от поверхности рекультивированного полигона, в которые помещается перфорированная полиэтиленовая (или поливинилхлорида, полипропилена высокой плотности, стеклопластика) труба, диаметром 20 см. Пространство между трубой и стенками скважины послойно заполняется песчано-гравийной смесью с послойным уплотнением, с крупностью скелетной фракции 20-40 мм и с минимальным количеством пылевых частиц (не более 10%), с содержанием карбонатов менее 10%, до отметки – 0,75 м, бетоном до отметки – 0,65 м. Перфорация выполняется сверлом 18 мм по окружности через каждые 600 мм, отверстия расположены в шахматном порядке на расстоянии 50-100 мм друг от друга.
В массиве рекультивируемого слоя выше горизонтальной гидроизоляции устанавливается металлическая (или тонкостенная железобетонная) труба диаметром 50 см. На поверхности монтируется оголовок с антивандальной системой и крышкой с пассивной вытяжной вентиляцией, препятствующей попаданию дождевой воды в колодец. Площадь вокруг скважины на расстоянии 1,5-2 м изолируется глинистыми грунтами мощностью около 0,3-0,4 м для обеспечения крепления скважины и препятствования проникновения внутрь скважины поверхностных вод.
Рис. 2. Пример конструкции газоотводящей скважины пассивной дегазации свалочных грунтов [10]
Глубина газодренирующей скважины обоснована возможным капиллярным поднятием фильтрата выше максимального уровня залегания и попадания в ствол, что может привести к интенсификации микробиологических процессов и кольматажу отверстий в стволе, что понижает газоприток и в конечном итоге выводит скважину из строя.
Расчетное количество скважин должно согласовываться с данными «Методики по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронений твердых бытовых отходов» (М., 2003) и ТСН 30-308-2002, согласно которым количество дегазационных скважин (газовыпусков) назначается из расчета 1 скважина на 7500 м3 отходов, а общее необходимое количество – не более 2-х на гектар свалочного тела.
С целью исключения возможности латеральной миграции газообразной фазы из свалочного тела через неизолированное ложе полигона необходимо предусмотреть дегазацию с помощью метаноокисляющих изолирующих покрытий (биофильтров). Работа биофильтра основана на способности метанотрофных микроорганизмов использовать метан в качестве источника энергии и углерода, и полностью разлагать метан на оксид углерода и воду. В качестве окислительных биофильтров могут использоваться торф, опил, компост или соответствующим образом подготовленный техногенный грунт из компоста ТКО.
Биофильтр представляет собой трапециевидную призму из сорбционного материала под слоем поверхностного изоляционного слоя с размерами: ширина по низу – 1,8 м, ширина по верху – 0,6 м, высота – 0,4 м с уложенной дренажной трубой диаметром 200 мм, обернутой в геоткань и имеющей вертикальный отводящий трубный выпуск сквозь изоляционное покрытие. Примерный внешний вид конструкции биофильтра представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Схема конструкции метаноокисляющего биофильтра
Согласно современным нормативным документам, в частности постановлению правительства РФ №800, рекультивация включает в себя два этапа: технический и биологический. Технический этап рекультивации включает формирование откосов с нормативными углами наклонов, строительство дренажных систем, дегазацию, планировку поверхности с созданием рекультивационного многофункционального покрытия и другие операции. Завершается технический этап рекультивации нанесением, формированием и планированием плодородного слоя, и здесь сразу же появляется одна из основных экологических и экономических проблем при рекультивации – дефицит почвогрунтовых ресурсов для создания рекультивационных покрытий. Известно, что для рекультивации 1 га полигона требуется до 10 тыс. м3 почвенно-растительного грунта, что соответствует нарушению 5 га природных земель, то есть до 5 раз может быть превышена площадь рекультивируемого объекта [4]. С целью экономии природных ресурсов и ускорения биологических процессов при проведении рекультивационных работ почва может быть заменена органогенными субстратами из отходов производства и потребления. Общепризнанным является факт высокого биологического потенциала органической фракции ТКО, а технология переработки отходов методом компостирования позволяет получать компост, близкий по своим свойствам к традиционным органическим удобрениям. С точки зрения авторов, наиболее рациональным и доступным является получение из органической части ТКО техногенного грунта и последующее использование его в качестве плодородного грунта при эксплуатации и рекультивации полигонов и других нарушенных земель.
В настоящее время авторами разработана технология использования техногенного грунта из органической части ТКО в качестве перекрывающего/изолирующего/плодородного материала в технологических циклах эксплуатации и рекультивации полигонов [8]. Несмотря на эффективность и перспективность подобного направления утилизации органической части ТКО, подобные работы практически не проводятся на других полигонах. Небольшое количество данных, подтверждающих эффективность и экологическую безопасность применения подобных субстратов (компостов/грунтов техногенных) при эксплуатации и рекультивации полигонов и других нарушенных земель, ограничивало до настоящего времени широкое внедрение подобных технологий, что, на взгляд авторов, требуется изменить в кратчайшие сроки.
Биологический этап рекультивации предусмотрен всеми действующими в настоящее время нормативными документами, и в большинстве случаев применение биологического этапа совершенно необходимо, так как процессы самозарастания могут растянуться на несколько десятков лет. Так, Л.С. Застенским [5] для условий Белоруссии выявлено, что при формировании рекультивационного слоя из минеральных суглинистых грунтов процессы гумусообразования происходят очень медленно, и за 15 лет образуется лишь 1,5-2 см сплошного гумусового горизонта. В экстремальных условиях северных регионов эти процессы еще более затруднены, и без специальных мероприятий биологического этапа рекультивации восстановление нарушенных ландшафтов практически не происходит [1].
Одной из наиболее важных операций последующего биологического этапа является подбор ассортимента многолетних трав, который наряду с другими мероприятиями (подготовка и обработка почвы, посев трав и уход за посевами), обеспечивает наиболее активное зарастание рекультивируемой поверхности и формирование экологически безопасных экосистем на территории бывшего полигона ТБО.
В связи с этим основной целью данной работы явилось изучение эффективности применения техногенных грунтов из органической части ТКО в качестве плодородного грунта на заключительной стадии технического этапа и подбор ассортимента травянистых и древесных растений для этого субстрата на биологическом этапе рекультивации полигона ТКО.
Полевой эксперимент, результаты которого излагаются в данной работе, был проведен на опытной площадке полигона «Новый Свет-ЭКО» в Гатчинском районе Ленинградской области. Техногенный грунт, использованный в эксперименте в качестве плодородного слоя, являлся продуктом утилизации отсева грохочения ТКО при аэробном полевом компостировании в буртах на специально оборудованной площадке на полигоне. Он применялся при достижении состояния зрелости после 6 месяцев компостирования. Основные агрохимические показатели грунтов техногенных определяли дважды – перед закладкой опыта и в конце вегетационного сезона, после учета биомассы. При лабораторных исследованиях пользовались общепринятыми методами [13]. Содержание органического углерода определяли методом Тюрина, подвижные формы фосфора и калия определяли в вытяжке Кирсанова, фосфор – колориметрически по Дениже, калий – на пламенном анализаторе ПАЖ-2. Подвижные формы азота определяли фотоколориметрическим методом, нитратный азот – с дисульфофеноловой кислотой, аммонийный – с реактивом Несслера. Содержанию тяжелых металлов определяли методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой.
Температуру субстратов измеряли в течение вегетационного сезона с апреля по октябрь почвенным термометром на глубине корнеобитаемого слоя (15-20 см) в пределах каждой опытной площадки в 6-8 точках в дневное время (с 12 до 15 час). Измерения проводили один раз в неделю.
Закладку опытов по подбору травянистых и древесных растений, проведение биометрических учетов и наблюдений осуществляли согласно методическим указаниям, разработанным во Всероссийском институте кормов им. В.Р. Вильямса. Площадь опытных делянок 6 м2. В опытах на полигоне были использованы следующие виды растений: овсяница луговая сорт Шведская; овсяница красная сорт Шилис; райграс однолетний Изорский; райграс пастбищный Ленинградский 809; клевер луговой Волосовский. Из семян этих видов были составлены смеси, состав которых был следующим:
Смесь 1 – овсяница красная 50% + клевер луговой 50%;
Смесь 2 – райграс пастбищный 50% + клевер луговой 50%;
Смесь 3 – овсяница красная 30% + клевер луговой 70%;
Смесь 4 – райграс пастбищный 50% + клевер луговой 25% + овсяница красная 25%;
Смесь 5 – райграс пастбищный 50% + овсяница красная 50%;
Смесь 6 – овсяница красная 50% + клевер луговой 25% +райграс однолетний 25%;
Смесь 7 – райграс пастбищный 50% + райграс однолетний 50%.
Норма высева 2,5 г/м2.
На опытных делянках с посевом травяных смесей проводили два укоса – в середине лета (20 июля) и в конце (17 августа). При этом были проведены следующие биометрические замеры: определена надземная биомасса растений (сырая), измерена средняя высота и оценена плотность посевов, общее проективное покрытие, высота растений и их мощность в баллах. Оценку мощности травостоя проводили глазомерно по 5-балльной шкале. Так же при общей оценке учитывали облиственность, кустистость, выравненность и густоту стояния посевов. Кроме травяных смесей были проведены монопосевы следующих видов растений: овсяница красная, овсяница луговая, клевер луговой. А также в дополнение к основному опыту были заложены монопосевы следующих видов растений: фацелия рязанская, синяк обыкновенный, козлятник восточный, овес и горчица белая для оценки их всхожести и декоративности.
В качестве контроля были оставлены делянки под самозарастание.
Наряду с травами были испытаны два вида древесных растений – сосна Pнnus sylvйstris и тополь (гибридные формы) Populus sp. Их высаживали в количестве 81 шт. на делянку. Состояние саженцев оценивали в конце вегетационного сезона по выживаемости и внешнему виду.
Статистическую обработку экспериментальных данных осуществляли с помощью программ анализа данных AtteStat (версия 12.5). Для визуализации исходных данных и результатов их статистического описания использована программа PAST (версия 3.21). Сравнение вариационных рядов двух независимых групп выполняли с применением критерия Манна-Уитни. Аналитическая повторность – четырехкратная. Различия считали значимыми при р<0,05.
Известно, что пригодность субстратов в качестве плодородного грунта для продуктивного роста растений определяется прежде всего их агрохимическими свойствами. В этой связи были проведены исследования грунтов техногенных, используемых в эксперименте в качестве плодородного слоя, которые позволили дать его агрохимическую характеристику (табл.1).
Табл. 1. Агрохимические свойства грунтов техногенных в начале и конце опыта в сравнении с фоновой дерново-подзолистой почвой
Рис. 4. Изменение температуры корнеобитаемого слоя техногрунта (компоста из ТБО), воздуха и почвы в течение вегетационного сезона (Примечания. «усы» — минимальное и максимальное отклонения результатов измерения от среднего значения)
Известно, что основным неблагоприятным фактором, препятствующим широкому применению компостов/грунтов техногенных из ТКО в качестве удобрений или плодородного грунта при озеленении, является повышенное содержание тяжелых металлов. Поэтому при использовании этих органогенных отходов в качестве удобрений или плодородных грунтов при рекультивации или в озеленении санитарно-химические исследования являются обязательными. Проведенными ранее исследованиями [7] было установлено, что все изученные пробы компоста соответствовали нормативам для компостов из ТБО/ТКО. По двум элементам – свинцу (три пробы) и меди (одна проба) отмечено незначительное превышение нормативов для компостов из ТКО – в 1,1-1,3 раза. Тем не менее, в данном эксперименте было сочтено целесообразным оценить экологическую безопасность выросших на исследуемом грунте техногенном трав и определить в них содержание нормируемых санитарными нормами показателей – тяжелых металлов и нитратов, поскольку на объектах с высоким уровнем содержания токсичных элементов необходимо контролировать химический состав естественно произрастающего или искусственно созданного травостоя. Так как использованные в эксперименте культуры потенциально могут рассматриваться как кормовые для сельскохозяйственных животных, сравнение полученных результатов проводили по существующей в РФ системе оценки кормов для сельскохозяйственных животных, а именно: содержание токсичных элементов — по ВМДУ 123-4/281-8-87, а содержание нитратов согласно нормам предельно допустимой концентрации (ПДК нитратов и нитритов в кормах для сельскохозяйственных животных и основных видах сырья для комбикормов, утв. Главным государственным ветеринарным инспектором СССР 18 февраля 1989 г.). В качестве контроля была использована проба трав, отобранная с откоса, отсыпанного грунтом, образовавшимся в результате землеройных работ. Полученные результаты представлены на рисунке 5.
Рис. 5. Коэффициенты концентрации содержаний тяжелых металлов и NO3- в биомассе укосов травосмесей 3, 6 и 7 по отношению к контрольной пробе
По результатам анализа диаграммы, данных ВМДУ 123-4/281-8-87 и ПДК нитратов в продуктах питания можно сделать ряд заключений:
Техногенный грунт /компост из ТКО, использованный в качестве плодородного поверхностного слоя при рекультивации полигона, характеризуется благоприятными агрохимическими свойствами, слабо загрязнен тяжелыми металлами и пригоден для роста и развития травянистых растений.
Опыты, проведенные по подбору ассортимента трав для рекультивации полигона ТБО/ТКО, выявили высокую эффективность злаковых растений (райграса пастбищного, райграса однолетнего, овсяницы луговой и овсяницы красной). Особенно перспективными являются овсяницы, особенно сорт Шведская селекции ЛенНИИСХ «Белогорка».
Травы, выросшие на техногенном грунте, не превышают допустимых значений по содержанию тяжелых металлов и нитратов и являются экологически безопасными даже при использовании их в сельском хозяйстве.
Требуется масштабирование подобного рода исследований, особенно для условий с небогатыми почвами и тяжелыми климатическими условиями, где применение техногенных грунтов позволит нивелировать неблагоприятные условия местопроизрастания окружающей среды.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку