Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Обеспечение экологической безопасности при ликвидации зданий и сооружений химических предприятий и рекультивации нарушенных территорий

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Обеспечение экологической безопасности при ликвидации зданий и сооружений химических предприятий и рекультивации нарушенных территорий"

На правах рукописи

Швецова Ирина Николаевна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЛИКВИДАЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ АНИЛИНОВОГО ПРОИЗВОДСТВА)

03.02.08 - «Экология (в строительстве и ЖКХ)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН 2013

005532574

Москва - 2013

005532574

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Батракова Галина Михайловна

Сметанин Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства», заведующий кафедрой «Организация и технология строительства объектов природообустройства»

Ведущая организация:

Тупицына Ольга Владимировна, кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», доцент кафедры «Химическая технология и промышленная экология»

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Уральский государственный научно-

исследовательский институт региональных экологических проблем», г. Пермь

Защита состоится 09 октября 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Зал заседаний Учёного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Потапов Александр Дмитриевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В рамках ФЦП «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009 - 2013 годы)» для снижения и предупреждения угроз химической опасности с 2012 г. реализуются пилотные проекты ликвидации ряда опасных производственных объектов. В большинстве случаев ликвидации подлежит не весь объект, а его часть -нерентабельные и технически устаревшие производства. Объектом исследований являлся типовой промышленный комплекс по производству анилина контактным методом, подлежащий ликвидации с рекультивацией загрязненных почвогрунтов.

Обеспечение экологической безопасности при разработке планировочных, проектно-изыскательских и технологических решений на этапах проектирования, возведения и реконструкции представлено в трудах научных школ МГСУ (г.Москва), «РосНИПИ Урбанистики» (г.С.-Петербург), ННГАСУ (г.Нижний Новгород), ПНИПУ (г.Пермь) и др. В настоящее время в России недостаточно опыта и научного обоснования обеспечения экологической безопасности на завершающем этапе жизненного цикла химических производств.

Приоритетными направлениями для обеспечения экологической безопасности являются вопросы обращения с отходами сноса и демонтажа зданий и сооружений, а также реабилитация загрязненных земель промышленной площадки. Отходы от ликвидации производственных сооружений не могут быть приравнены к отходам сноса жилого фонда. Опасность и ресурсный потенциал данных отходов определяется на основании выявленной степени износа объектов капитального строительства, определения опасности отходов с учетом их загрязненности и сорбционной способности отделочных и строительных материалов.

Известны методические подходы и результаты комплексной оценки загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами {A.II. Перельман, 1975; М.А. Глазовская, 1981; М.В. Дабахов, 2012; Д.В. Зейферт, 2011; Е.И. Муравьев, 2010; Е.И. Новоселова, 2008; О.Б. Латонова, 2011 и др.). Трансформацию анилинового загрязнения в почвенном субстрате изучали Г.К. Васильева, 1984; А.Е. Кузнецов, 2006; J. Bollag, S. Rüssel, 1976; S. Patil, VM. Shirtde, 1988; D.Kosson, S. Byrne, 1995 и др. Научный интерес представляет исследование накопления и трансформации анилина (первичных ароматических аминов) в искусственно созданных почвах, так называемых техноземах или техногенных поверхностных образованиях (ТПО).

Обеспечение экологической безопасности процесса ликвидации химических производств требует разработки методологии оценки загрязнения, научного обоснования порядка обращения со строительными отходами, разработки эффективных технологий рекультивации загрязненных производственных площадок.

Цель работы; научное обоснование методов обеспечения экологической безопасности при завершении жизненного цикла химических производств на основе разработки схем обращения со строительными отходами и технологии рекультивации загрязненных территорий промышленной площадки.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Оценить воздействие на объекты окружающей среды и проблемы обеспечения экологической безопасности на завершающем этапе жизненного цикла анилинового производства с возвратом градостроительной ценности промышленной территории.

2. По результатам эколого-технологического обследования и аудита установить износ зданий и сооружений, выявить зоны с максимальным уровнем загрязнения на

территории ликвидируемого производства, определить содержание анилина в пробах строительных материалов и ТПО.

3. Оценить объемы и опасность строительных отходов, исследовать изменение их физико-механических параметров и степени загрязнения, предложить варианты обращения с отходами с учетом их опасности для окружающей среды, снижения объемов неутилизируемых отходов на основе соблюдения принципов рационального использования ресурсов.

4. Разработать принципиальную технологическую схему деконтаминации загрязненных анилином почвогрунтов, основанную на механизмах его трансформации в почвенном субстрате и ТПО. Экспериментально обосновать технологические параметры рекультивации анилинзагрязненных ТПО биомассой адаптированного к анилину активного ила.

Научная новизна:

1. Впервые выявлена экспоненциальная зависимость миграции анилина по профилю материалов строительных конструкций с максимальным накоплением анилина на глубине от 5 мм (бетон, железобетон) до 30 мм (кирпич); оценена потенциальная экологическая опасность анилинсодержащих строительных отходов по экспериментально установленным показателям водопоглощения и прочности на изгиб образцов отделочных материалов, выполнявших барьерную функцию.

2. На основе анализа механизма трансформации анилинового загрязнения в обедненных в сравнении с почвенным субстратом ТПО получены исходные данные для процесса рекультивации почвогрунтов производственной территории.

3. Впервые разработан способ деконтаминации анилинзагрязненной территории за счет разложения анилина биомассой адаптированного активного ила. На основе экспериментальных данных разработана математическая модель биоразложения анилина в почвогрунтах, учитывающая концентрацию анилина, дозу вносимого ила и время выдержки. Методом математического анализа определена оптимальная доза активного ила для максимальной скорости снижения концентрации анилина в ТПО.

4. Впервые выполнено расчетно-теоретическое исследование объемов образования отходов сноса и демонтажа зданий и сооружений анилинового производства, определены условия минимизации воздействия на окружающую среду за счет предварительного изъятия загрязненных анилином строительных материалов и использования ресурсного потенциала незагрязненных отходов.

Практическая значимость:

• разработаны рекомендации по проведению экологического обследования и комплексной оценки территории химических производств на завершающем этапе жизненного цикла;

• экспериментально определены технологические параметры процесса биодеградации анилина в почвогрунтах до 98 % масс, при оптимальной вносимой дозе адаптированного к анилину активного ила 2,3 г/кв.м. (сухого вещества), соблюдении рН[1Ю 6,5-7,5 и выполнении агротехнических мероприятий;

• выполнено ранжирование территории по степени загрязнения, исследованы морфологический и гранулометрический составы, физико-химические характеристики почвогрунтов;

• предложен способ отбора проб строительных материалов, загрязненных анилином; разработана методика пробоподготовки для количественного определения анилина в пробах ТПО и строительных материалах;

расчетным и экспериментальным методами установлен Ш класс опасности для от: дов отделочных материалов цехов анилинового производства, загрязненных анилином.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

■ обеспечение экологической безопасности при ликвидации химических производств включает: экологическое обследование загрязненных строительных конструкций, расчетно-теоретическое обоснование объемов образования отходов с целью минимизации воздействия на окружающую среду за счет предварительного изъятия загрязненных анилином строительных материалов и использования ресурсного потенциала незагрязненных отходов; оценку миграции загрязняющих веществ по профилю почвогрунтов и обоснование способа деконтаминащш территории ликвидируемого предприятия;

■ миграция анилина по профилю строительных материалов зависит от условий агрессивной производственной среды и износа строительных конструкций. Экспериментально установлена экспоненциальная зависимость концентрации анилина от глубины проникновения, для миграции характерны максимальные концентрации в поверхностном слое на глубине 5-30 мм;

■ механизм трансформации анилина зависит от морфологического и гранулометрического состава ТПО, содержания гумуса, обменных оснований, подвижных форм биогенных элементов, рН;

■ внесение адаптированного активного ила, соблюдение температурного режима, поддержание принудительной аэрации ТПО, наличие оптимального количества биогенных элементов для жизнедеятельности микроорганизмов, участвующих в процессе биодеструкции анилина позволяют достичь разложения накопленного анилина в ТПО менее чем за 1 месяц.

Апробация работы. Основные положения результатов работы докладывались на: IV Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг природных экосистем», Пенза, 2010; VIII Конференции Международной ассоциации по твердым отходам (18\УА) «Передовые технологии переработки и захоронения отходов: ориентиры применения и критерии выбора», Москва, 2011; Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве», Пермь, 2011; Ш Региональной научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика», Пермь, 2011; IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика», Пермь, 2011; XIV региональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия. Экология. Биотехнология-2012», Пермь, 2012; ХП Международной мультидисциплинарной научной Геоконференции «БОЕМ 2012», София, Болгария, 2012; Международной молодежной конференции «Экологические проблемы горно-промышленных регионов», Казань, 2012; II Международной конференции «Окончательное захоронение как элемент современного управления отходами», Эспу, Финляндия, 2013; Специализированной конференции Международной ассоциации по твердым отходам (18\УА) «Твердые бытовые отходы: системы управления и технические решения», Москва, 2013.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в формулировке цели и задач исследования, проведении экспериментов, обсуждении результатов работы и ее апробации.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 работ, из них 6 статей в журналах, входящих в Перечень рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список литературы из 159 источников. Текст изложен на 193 страницах, иллюстрирован 42 рисунками и включает 35 таблиц.

Автор глубоко благодарен коллегам кафедры «Охрана окружающей среды» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», в частности: заведующему кафедры, профессору Я.И. Вайсману, научному руководителю, профессору Г.М. Батраковой за поддержку, наставничество и руководство над подготовкой работы; выпускникам кафедры С.А. Увицкой и Е.П. Ирзиной за помощь в проведении экспериментальных исследований; профессору кафедры «Динамика и прочность машин» М.Г. Бояршшюву за помощь в интерпретации результатов исследований, а также руководству ОАО «Бератон», в особенности начальнику отдела охраны окружающей среды Н.Н. Якушевой за предоставленную возможность проведения исследований на территории анилинового производства.

Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-05-96025 р_урал_а.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, указан объект исследований, сформулирована научная новизна работы.

В первой главе проведена оценка воздействия технологии получения анилина контактным методом на объекты окружающей среды, в том числе рассмотрены вопросы экологической опасности, связанные с завершающим этапом жизненного цикла предприятия и возвратом градостроительной ценности промышленной территории. Проанализированы основные проблемы обеспечения безопасного обращения со строительными отходами при ликвидации промышленных объектов химической отрасли. Проанализирован опыт обращения с промышленными отходами, в том числе отходами от сноса и демонтажа жилого и промышленного фондов в странах СНГ и ЕС, крупных городах России (М.А. Любарская, 2006; Я.И. Вайсман, В.Н. Коротаев, 2007 и др.).

Проведен анализ законодательных, нормативных и методических документов, отражающих необходимость экологических исследований, рассмотрены требования к реабилитации земель и качеству почв промышленных территорий, представлен обзор аналогичных исследований для задач деконтаминации загрязненных территорий. Выполнен обзор методов восстановления загрязненных территорий, рассмотрены перспективы биологических методов для реабилитации промышленной площадки объекта исследования (А.Е. Кузнецов, 2006, В.Е. Лотош,2001 и др.).

По результатам маршрутных и рекогносцировочных обследований на территории анилинового производства представлена экологическая характеристика территории закрытого производства. На основе анализа физико-химических, санитарно-

экол огических и токсикологических свойств сырья, продуктов и полупродуктов анилинового производства обоснован выбор приоритетного загрязняющего вещества.

Во второй главе представлены объемы выполненных исследований, обобщены методические подходы проведения работы и способы обработки результатов.

Маршрутные и рекогносцировочные обследования на территории анилинового производства проведены в соответствии с требованиями СП 11-105-97. Изучены фондовые материалы инженерно-экологических изысканий.

В производственных помещениях из зон минимального, среднего и максимального загрязнения для исследования отобрано 19 серий проб строительных материалов. Отбор проб и исследование строительных материалов: кислотоупорной керамической настенной и напольной плитки, штукатурки, бетонных и кирпичных кернов из стен (глубина отбора кернов 10...60 мм) выполнены в соответствии с рекомендациями ОДМД №ОС-857; физико-механические параметры керамической кислотоупорной плитки оценивались в соответствии с ГОСТ 27180-2001.

Определение класса опасности строительных отходов выполнено расчетным и экспериментальным методами в соответствии с критериями приказа МПР РФ №511 от 15.06.01г. Биотестирование проводилось по определению токсичности водных вытяжек из почв и отходов, смертности ракообразных Daphnia magna Straus (ФР.1.39.2007.03222) и изменению численности клеток водорослей Scenedesmus guadricauda (Тигр.) Breb. (ФР.1.39.2007.03223).

Проведено геоэкологическое опробование почвогрунтов, выполнен отбор проб ТПО с 7 площадок с двух горизонтов. Для характеристики ТПО по морфологическому и гранулометрическому составу, физико-химическим свойствам заложено 3 полуразреза. Для комплексной оценки трансформации и миграции анилина по профилю ТПО в точках отбора проб отобрано 11 дополнительных проб с разных горизонтов для анализа гранулометрического состава с определением скелетной части, фракций 1-Змм и > 3 мм и агрохимических показателей: гумус, рНцодн. и рНсолев, Са2+, Mg2+, сумма обменных оснований, гидролитическая кислотность, подвижные формы азота (N03", NH4+) и фосфора (P2Oj), металлы. Отбор, транспортирование и хранение проб для определения содержания анилина выполнены по ГОСТу 17.4.3.01-83.

Количественное определение анилина выполнено по «Методике выполнения измерений массовой концентрации анилина в природных поверхностных и сточных водах фотометрическим методом с динатриевой солью 2-нафтол-3,6 дисульфокислоты (R-соль)» (ПНД Ф 14.1:2.252-08) и методике «Газохроматографического определения анилина, нитробензола, м-нитробензола и м-толуидина в воде» (МУК 4.1.1207-03).

Расчетно-теоретическое исследование материальных потоков отходов и моделирование схем движения отходов выполнено методом анализа материальных потоков с применением программного продукта «STAN 2.0 Beta».

В третьей главе охарактеризованы условия внутренней среды производственных помещений, влияющих на срок эксплуатации строительных и отделочных материалов, оценена опасность отдельных видов строительных отходов, оценены объемы образования отходов при ликвидации анилинового производства.

Определены участки повреждений локального характера и выявлен ориентировочный уровень загрязнений внутренних объемов помещений. В зданиях и сооружениях анилинового производства (контактного отделения, газодувного отделения, отделения дистилляции, складах сырья и готовой продукции) выполнен

отбор проб строительных материалов для оценки изменения физико-механических (прочностных) свойств и определения их опасности для окружающей среды. Результатами испытаний образцов кислотоупорной керамической плитки установлено, что показатель водопоглощения увеличился до 4 раз (\У= 3,11-7,47%). Показатель предела прочности при изгибе (Яшг кгс/см2) снижен в широких пределах -от 2,7 до 66 %. Снижением показателя прочности при изгибе и увеличением водопоглощения характеризуются образцы с высоким уровнем загрязнения. Изменение физико-механических параметров свидетельствует о накоплении токсичных веществ в отделочных материалах, выполняющих функцию барьера и защиты конструкций.

Содержание анилина в образцах стеновой и напольной плитки составило до 832,3 ±81,1 мг/кг сухого вещества. Количество анилина, способного к миграции в водной среде, составило от 1,3 ± 0,2 до 157,5 ± 15,4 мг/кг сухого вещества (в среднем 17,8% масс.).

При исследовании миграции анилина по профилю образцов строительных материалов (облицовочная плитка - бетон (кирпич)) максимальные концентрации анилина определены в слое 5-30 мм. Выявлены экспоненциальные зависимости аппроксимирующих кривых, характеризующих концентрацию и глубину проникновения анилина в строительных материалах отделения дистилляции и контактного отделения (рис.1). Свыше 60 мм содержание анилина находилось ниже предела обнаружения.

800

700

jV^i (Ас) = 669,25е-°-ст*

300 Fl fi(ÜC) = 709,1824£-°'K3243ft : 2оо 100

20 30 40

Глубина отбора пробы, мм

50

60

-Линия тренда (аппроксимации) 1 I Контактное отделение

в Отделение дистилляции — Линия тренда (аппроксимации) 2

Рис.1. Закономерность миграции анилина вглубь материалов стеновых конструкций (Д с - концентрация анилина в материале стеновых конструкций,

h - глубина отбора пробы)

Экспериментальное определение опасности образцов отхода «бой облицовочных материалов», выполнено на двух тест-объектах (дафнии, зеленые протококковые водоросли), и расчетным методом определения класса опасности, в соответствии с критериями, рекомендованными МПР РФ № 511 от 15.06.01г. Отходам, представленным отделочными материалами, присвоен III класс опасности для

окружающей среды. При биотестировании анализировалась разбавленная (1%) водная вытяжка отхода. Экспериментальным методом установлен IV класс опасности, что связано с хорошей биодоступностью анилина, питательной ценностью анилина для некоторых микроорганизмов и использованием его в качестве ростового субстрата. В то же время содержание анилина в водной вытяжке 0,024 - 0,26 мг/дм значительно превышало ПДК анилина в водных средах: ПДКрх-0,0001 мг/дм3, ПДКпром загр - 0,1 мг/ дм3 и свидетельствует о потенциальной опасности этого вида отходов и способности к долговременной эмиссии загрязнения за счет постепенного вымывания с атмосферными осадками или в присутствии органического растворителя. Подобная опасность учитывается Директивами 2000/532/ЕС, 67/548/ЕЕС и 1999/45/ЕС, в соответствии с которыми анилин относится к компонентам, присутствие которых в материалах и/или отходах характеризует последние как «опасные для окружающей природной среды» и требующие предварительного обезвреживания перед повторным использованием.

Анализ проектно-строигельной документации выполнен для определения объема отходов при сносе и демонтаже зданий и сооружений, который составил около 25 тыс.тонн. Расчетные данные по компонентному составу и объему отходов, (% масс.): бетон, бутобетон - 37,16%, железобетон - 24,56%, силикатный кирпич - 24,00%, металл (без учета оборудования и коммуникаций) - 3,90%, прочее (отделочные и кровельные материалы, утеплитель, стекло и др.) - 0,48%, недифференцируемые отходы-9,90%.

Для выявления характеристик потока загрязненных строительных отходов использован подход функционального моделирования с применением программного продукта «STAN 2.0 Beta» (рис.2).Обезвреживанию перед ликвидацией анилинового производства или размещению на специализированных полигонах подлежит не менее 10% (свыше 2500 тонн).

Предложены технологические решения по снижению опасности образующихся строительных отходов: механическое извлечение максимально загрязненного слоя стеновых строительных материалов перед сносом и демонтажем; снятие отделочных материалов, выполнявших барьерную функцию; минимизация объемов неутилизируемых отходов, отправляемых на захоронение, путем предварительной механической покомпонентной разборки здашш и сооружений.

Для снижения содержания анилина в строительных отходах предложен способ механической очистки поверхностей стен го бетона, железобетона и кирпича (глубина обработки от 5 до 30 мм). Усиление стеновых конструкций растворами на основе кремнийорганических соединений и цементосодержащих покрытий выполняется согласно ВСН 64-97.

Проанализированы варианты ликвидации зданий производственного комплекса. Приоритетным с позиций обеспечения экологической безопасности и рационального использования природных ресурсов признан второй вариант (рис.2), позволяющий минимизировать объем опасных отходов, направить на вторичное использование до 90% отходов: бой кирпичной кладки; отходы бетона в кусковой форме; отходы железобетона в кусковой форме; отходы цемента в кусковой форме; керамические изделия, потерявшие потребительские свойства; стеклянный бой незагрязненный и др. Предотвращенный экологический ущерб с точки зрения стоимости захоронения строительных отходов составил 22 564,093 тыс. рублей.

Import 24,715.84tfa

Захоронение: 2,549 15t,'a

Export: 22,166 69 t/a

Рис.2. Моделирование материальных потоков отходов сноса и демонтажа зданий анилинового производства для выявления

характеристик потока загрязненных строительных отходов

Обоснована схема обращения с отходами сноса и демонтажа и параметры процесса обезвреживания потенциально опасных облицовочных материалов термическим и гидротермическим методами. По результатам исследований и обзора основных методов обращения с отходами сноса зданий и сооружений гражданского фонда определены приоритетные направления утилизации строительных отходов. Одним из основных направлений использования строительных отходов является использование в качестве отсыпки дорог или технического грунта. Требования к грунту определены по нормативу допустимого содержания анилина в почвах в стандартах, разработанных Департаментом качества окружающей среды США («Risk Evaluation/Corrective Action Program» (RECAP)): 17 мг/кг для территории промышленного назначения; 2,4 мг/кг - для селитебной территории. Согласно этим требованиям лишь 6-7% отходов без предварительного обезвреживания подлежит использованию в качестве технического грунта только на промышленных площадках.

В четвертой главе представлены результаты анализа физико-химических характеристик, морфологического и гранулометрического состава ТПО. Изучен механизм детоксикации анилина в почвенном субстрате, выполнено ранжирование территории промплощадок по степени загрязнения (рис.3), определен объем работ по деконтаминации загрязненных участков._

Содержание

аминов в ТПО мг/кг:

более 85,00

от 34,00 до 85,00

от 17,00 до 34,00

до 17,00

Результаты исследований ТПО на содержание аминов (в пересчете на анилин)

Производство анилина:

1 - Отделение дистилляции

2 - Контактное отделение

3 - Газодувное отделение

4 - Склад анилина

- дорожные сети предприяти

- здания, строения, сооружения предприятия

- граница территории предприятия

Рис.3. Загрязнение ТПО территории промышленной площадки производства

анилина

Содержание анилина в ТПО установлено на глубине до 10 см от 13,30 ± 1,13 до 50,35 ± 6,03 мг/кг; на глубине 10-30 см от 8,66 ± 1,18 до 132,11 ± 18,16 мг/кг. Максимальное загрязнение выявлено по трассе продуктопровода на склад готовой продукции, которое составило 132,1 ± 18,2 мг/кг сухого вещества почвы. На глубине свыше 30-35 см концентрация анилина в ТПО находилась ниже предела обнаружения.

По результатам оценки около 57,8% площади пригодно лишь для про.мы г ¡того использования, а остальная часть подлежит обязательной деконтаминации даже для промышленного использования.

Анилин в ТПО подвергается процессам массопереноса и трансформации (рис.4). При наличии гумуса (не менее 2%) анилин связывается гуматами почв двумя путями: формированием обратимого равновесия в реакции образования иминных связей с карбонильными группами гуматов; через необратимую реакцию введения хиноновых колец (существующих в гуминовом веществе вследствие окисления фенолов) с образованием аминозамещенных хинонов. Продуктами окисления анилина в почве являются: азобензол, азоксибензол, феназин, форманилид и ацетанилид. Анилин ковалентно связывается с природным растворенным органическим веществом при рН 6-8. В анаэробных условиях реакция блокируется.

Промышленная площадка _

Связывание гуматами (с реакцией образования иминных связей):

С6Н5-ГЧН2+ 0=СР?,—► свн5ы=к,+ н2о

Связывание гуматами почв (с реакцией введения хиноновых колец):

■ нго

Нековалентное связывание почвенными коллоидами(ПК):

свн5-ын8

рН == 7

-ПК

Частичное ковалентное связывание продуктов трансформации почвенными ферментами (на примере азобензола):

чферм Накопление продуктов \\ // связывания

__Прекращениереакций трансформации

Прекращение миграции несвязанного анилина

Грунтовые воды

Рис.4. Модель трансформации и массопереноса анилина в ТПО

Для оценки условий миграции анилина в ТПО проанализированы агрохимические показатели (табл.1) и гранулометрический состав почвогрунтов. По результатам гранулометрического анализа исследуемые ТПО обладают низкой гигроскопичностью и малой влагоемкостью, что способствовало миграции анилина по вертикали.

Низкая степень детоксикапии анилина обусловлена невысоким содержанием гумуса (0,15-4,17%) и обменных оснований (Са - 2,25-10,25 мг-экв/100г; Mg - 0,451,45 мг-экв/100г). Обнаруженные максимальные концентрации анилина на глубине около 30 см обусловлены его слабой способностью к миграции в водной среде. Предполагаемые дозы проливов анилина были достаточно высоки и поэтому, несмотря на хорошую аэрацию техногенных почвогрунтов, процесс естественного самоочищения ТПО прошел не полностью, что привело к накоплению анилина в больших дозах (до 132,1± 18,2 мг/кг).

Получены исходные данные для разработки технологии биорекультивации территории площадью 4,5 га и глубиной обработки ТПО 30 см. Перспективное функциональное назначение площадки - промышленное.

Таблица 1- Агрохимические показатели и содержание анилина в ТПО

Проба: № разреза, глубина отбора (мм) рН Гумус, % Обменные основания, мг-экв/100 г р205 мг/кг n03 мг/кг nh4 мг/кг Содержание анилина, мг/кг

Н20 КС1 Са Mg сумма

Б-1,0-10 7,43 7,07 4,17 8,45 0,45 8,90 12,4 2,3 13,7 40,5 ±4,4

Б-1,10-20 7,54 7,04 1,84 10,25 0,65 10,90 59,2 1,5 6,1 13,7 ±1,5

Б-1,40-50 7,43 7,16 1,05 7,05 1,45 8,50 74,6 1,7 9,9 ниже предела обнаружения

Б-1, 7080 7,44 6,83 0,23 7,50 1,00 5,50 48,0 1,6 7,6 ниже предела обнаружения

Б-2, 0-10 7,39 7,24 3,40 5,55 0,70 6,25 41,1 2,0 8,2 50,3 ± 6,0

Б-2,10-20 7,88 7,56 1,40 5,45 0,70 6,15 25,7 1,5 6,2 90,2 ± 6,9

Б-2,45-55 7,59 7,02 0,61 8,35 0,60 8,95 62,9 0,0 6,0 ниже предела обнаружения

Б-2, 90100 7,25 6,47 0,15 5,90 0,60 6,50 108,6 0,0 8,2 ниже предела обнаружения

Б-3, 0-4 6,99 6,70 1,87 3,20 0,75 3,95 31,5 1,7 7,9 13,3 ±1,1

Б-3,7-17 7,47 7,37 0,15 2,25 0,05 2,30 20,4 1,8 6,4 132,1 ± 18,2

Б-3,18-28 7,90 7,39 0,58 8,95 1,10 10,05 48,6 1,6 6,3

В пятой главе предложена технология снижения уровня загрязнения ТПО с учетом направлений повторного использования земель.

Метод деконтаминации территории основан на очистке ТПО путем внесения адаптированного к анилину активного ила промышленных очистных сооружений, и включает комплекс агротехнических и агрохимических мероприятий: подготовка и внесение удобрений, вспахивание (принудительная аэрация), подбор трав и травосмесей, посев, уход за посевами.

Экспериментальными исследованиями обоснована возможность применения биологического метода восстановления загрязненных анилином ТПО с применением адаптированного активного ила. Исследования по адаптации активного ила к анилину и определению оптимальной дозы ила для очистки ТПО включали 442 элемент определения.

Этап наращивания биомассы ила с последующей адаптацией к анилину и стабилизацией состава составил около 3 месяцев. За период эксперимента по адаптации ила к анилину анализировались: сукцессии видового состава гидробионтов, динамика количественных показателей отдельных сообществ микроорганизмов и общей плотности всей микробиоты.

С целью выявления оптимальных раметров рекультивации для еспечения разложения анилина в 10 за короткий период времени до пустимого уровня для почв я омьшшенного назначения вьшолнены | сперименты по интенсификации | оцесса разложения анилина при |есении адаптированного активного |:а (0,5-4 г/ м.кв. ТПО). | Дополнительно изучено влияние на 5 оцесс разложения анилина шеральных удобрений. В условиях спериментов выполнено

іделирование небольших и крупных оливов анилина на поверхности ТПО г 100 до 10 ООО мг анилина на 1 кг ■ • Ю). По результатам экспериментов

,, „'¡работала математическая модель Рис. 5. Аппроксимация формулой (1.1) биоразложения анилина в почвогрунтах данных натурных измерений концентрации (1 учитывающая его концентрацию, анилина в ТПО (О в зависимости от дозы дозу вносимого ида и время выдержки вносимого активного ила (I) и времени вьщержки (?)

^ гч ^ Г-0,07663-0,246327+ 0,0526672>/ пп

С(/,7) = С/ > , С11)

где С - концентрация анилина, мг; С0 - начальная концентрация анилина, мг/кг; г -время, сутки; / - доза активного ила, г.

Методом математического анализа определена оптимальная доза активного для максимальной скорости снижения концентрации анилина в ТПО, которая составила 2,3 г/м.кв. (/) в присутствии оптимального соотношения биогенных элементов, необходимая для биоразложения анилина в ТПО до безопасного уровня (менее 17 мг/кг) за 2-3 недели. При оптимальном значении I зависимость (1.1) принимает вид (1.2) и позволяет определить временные затраты на разложение известной концентрации анилина в ТПО:

С(/,7 ) = С0е

-0.36467/

Также формула (1.2) может быть представлена зависимостью (1.3), которую целесообразно использовать для определения временных затрат на разложение известной концентрации анилина в почвогрунтах также при использовании оптимальной дозы адаптированного к анилину активного ила (I):

С0

( = 2.7422 ]п— (1.3)

С '

С учетом экспериментальных данных разработана принципиальная технологическая схема очистки ТПО жидкой и сухой биомассой активного ила, адаптированного в промышленных условиях на биологических очистных сооружениях предприятия анилинового синтеза (рис.6).

Негашеная известь, обеззараживающая смесь

V-! Р-1

У-2

Н-1

Н-2

д| А) Внесение суспензии ила

^ ^ У-З Р-3

■♦Б) _ Е-3

Е-1

Е-2

ТМиж

н-з А-1

іинеральное удобрение

Участок рекультивации ТПО

Б)

Внесение сухого препарата

У-3 р-3

Минеральное удобрение

Н-4

А-2

Участок рекультивации ТПО

Е-4

В) Внесение суспензии ила У-З

Е-5

Е-6

Минеральное удобрение

Н-5

Е-3

у-4 кР-4

Н-б

А-1

Участок рекультивации ТПО

Е-4 Е_5 Е-6

Рис.6. Технологическая схема рекультивации ТПО жидкой (А, В) и сухой (Б)

биомассой активного ила действующих очистных сооружений ликвидируемого

предприятия

Е-1 - иловая камера; Е-2 - установка обеззараживания и известкования; Е-3 -резервуар приготовления суспензии ила; Е-4 - приемный резервуар активного ила; Е-5 - установка обезвоживания активного ила; Е-6 - иловые карты; А-1- машины-разбрызгиватели (типа РЖТ-8, МЖТ-10, МЖТ-16); А-2 - машины-разбрасыватели (типа ПРТ-10, ПРТ-16, РОУ-5, РОУ-6); Р-1-3 - илопроводы; Н-1-6 - насосные станции; V-1-4 - запорные и регулирующие вентили

Предотвращенный ущерб при восстановлении градостроительной ценности территории, загрязненной химическими веществами, с применением предложенной технологии рекультивации ТПО составляет 4 443,12 млн. руб.

ВЫВОДЫ

1. По результатам испытаний установлено, что под воздействием агрессивной среды анилинового цеха показатель водопоглощения (М^, %) образцов напольной и стеновой керамической плитки увеличился до 4 раз. Показатель предела прочности при изгибе (К.шг _ кгс/см2) с учетом размеров образцов снижен в широких пределах - от 2,7 до 66 %. Заниженные показатели прочности при изгибе и высокое водопоглощение имеют образцы с высоким уровнем загрязнения. Выявлено содержание анилина в пробах строительных материалов от 9,3 ± 0,9 до 832,3 ±81,1 мг/кг.

Отходам, образующимся при демонтаже изолирующих покрытий внутри объектов анилинового производства, экспериментальным и расчетным методами присвоен Ш класс опасности.

2. Анализ материальных потоков отходов, выполненный мындом функционального моделирования, позволил определить количество (до 10% масс.) потенциально опасных строительных отходов. Снижение объемов отходов, направляемых на захоронение, достигается путем механического демонтажа зданий и повторного использования ресурсного потенциала строительных конструкций и материалов.

3. Результатами анализа ТПО на территории анилинового производства установлено содержание анилина от 13,30 ± 1,13 до 50,35 ± 6,03 мг/кг на глубине до 10 см и от 8,66 ± 1,18 до 132,11 ± 18,16 мг/кг на глубине более 10 см. Максимальное превышение рекомендованного норматива по содержанию анилина в почве промышленных территорий составило 7,8 раз, для территорий непромышленного использования - от 3,6 до 55,0 раз. Кратность превышения фонового содержания анилина в почве составила от 3,3 до 50,2 раз.

4. По результатам гранулометрического анализа исследуемые ТПО обладают низкой гигроскопичностью и малой влагоемкостью, что способствовало миграции анилина по вертикали. Низкая степень детоксикации анилина в исследованных ТПО обусловлена невысоким содержанием гумуса (0,15-4,17%) и обменных оснований (Са - 2,25-10,25 мг-экв/100г; Mg - 0,45-1,45 мг-экв/100г). Обнаруженные максимальные концентрации анилина на глубине до 30 см обусловлены его слабой способностью к миграции в водной среде и невысокой химической активностью при рН > 7.

5. На основании результатов модельных исследований разработана технология биологической деконтаминации загрязненных анилином ТПО с применением адаптированного к анилину активного ила. Разработана математическая модель биоразложения анилина в почвогрунтах, учитывающая его концентрацию, дозу вносимого ила и время выдержки. Методом математического анализа определена оптимальная доза активного ила для максимальной скорости снижения концентрации анилина в ТПО до безопасного уровня (менее 17 мг/кг) за 2-3 недели, которая составила 2,3 г/м.кв. в присутствии оптимального соотношения биогенных элементов.

Установлен биоценоз адаптированного к анилину активного ила с доминацией в нем следующих таксонов микроорганизмов: амебы голые и раковинные, жгутиконосцы не менее 12 видов, инфузории не менее 4 семейств, черви, в основном коловратки не менее 5 видов и др.

Обоснована технологическая схема реабилитации загрязненной территории путем внесения жидкой и сухой биомассы активного ила.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ширинкина Е.С., Батракова Г.М., Швецова И.Н., Щепачев А.А. Обоснование технологических решений по ликвидации мазутных хозяйств на основе инженерно-экологических исследований// Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. -2011.- №7. - С.22-27.

2. Ширинкина Е.С., Швецова И.Н., Батракова Г.М. Ресурсный потенциал отходов демонтажа и сноса зданий и сооружений промышленного назначения// Экология и промышленность России. - 2011. - №5. - С.48-51.

3. Швецова И.Н., Батракова Г.М., Комбарова М.М. Интенсификация очистки урбаноземов от загрязнений токсичными органическими соединениями// Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2012. - № 7. - С. 25-29.

4. Швецова И.Н., Батракова Г.М., Ширинкина Е.С. Исследование прочностных свойств и опасности строительных материалов после эксплуатации в агрессивной производственной среде// Строительные материалы. - 2012. - № 8. - С.46-48.

5. Швецова И.Н., Бояршинов М.Г., Батракова Г.М. Обоснование метода биологической рекультивации территории, загрязненной аминоароматическими соединениями // Экология урбанизированных территорий. - 2013. - № 1. - С.87-92.

6. Швецова И.Н., Батракова Г.М., Зайцева Т.А. Обоснование использования активного ила для биологической рекультивации почв, загрязненных ароматическими аминами (анилином) // Теоретическая и прикладная экология. - 2013. - № 1. - С.16-20.

Публикации в других изданиях:

1. Швецова И.Н., Увицкая С.А., Батракова Г.М. Основные этапы эколого-аналитического мониторинга территории ликвидируемых производств// Мониторинг природных экосистем: сб.статей: IV Всерос. науч.-практ. конф., [г.Пенза], май 2010г./ Регион.центр гос.экол. контроля и мониторинга по Пенз.обл. ФГУ ГОСНИИ ЭНП [и др.]. - Пенза, 2010. - 156с. - С.133-135.

2. Швецова И.Н., Батракова Г.М., Вайсман Я.И. Порядок обращения с отходами, образующимися при ликвидации промышленных объектов, оценка опасности// Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика: материалы УШ Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и мол.ученых, [г.Пермь, декабрь 2010г.]/ Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2010. - С.350-354.

3. Ширинкина Е.С., Швецова И.Н., Батракова Г.М. Организация схемы переработки отходов демонтажа и сноса зданий и сооружений промышленного назначения// Передовые технологии переработки и захоронения отходов: ориентиры применения и критерии выбора: сб. докл. Междунар. ассоц. по твердым отходам (ISWA), г. Москва, 28-29 мая 2011r./lSWA Intern. Solid Waste Assoc. - Москва: SIBICO Intern. Ltd., 2011 - электрон, оптич. диск (CDR).

4. Ширинкина E.C., Швецова И.Н., Батракова Г.М. Оценка возможности использования вторичного щебня, полученного из отходов ликвидации промышленных зданий и сооружений// Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве: материалы Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и мол.ученых с междунар. участием, г.Пермь, 19-20 мая 2011г./ Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2011.- Т.2. - С.309-312.

5. Швецова И.Н., Ширинкина Е.С., Батракова Г.М. Технологические подходы к ликвидации химических производств// Вестник ПГТУ. Урбанистика. - 2011. - № 2. -С.76-84.

6. Швецова И.Н., Шаманов В.А. Оценка изменения физико-механических свойств строительных материалов после эксплуатации в агрессивной среде// Вестник ПГТУ. Урбанистика. - 2011. - № 3. - С.91-96.

7. Швецова И.Н., Батракова Г.М., Слюсарь H.H., Вайсман Я.И. К вопросу оценки объемов и опасности отходов от ликвидации сооружений хранения пестицидов// Вестник ПГТУ. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. - 2011. - № 2. - С. 13-20.

8. Ирзина Е.П., Швецова И.Н., Батракова Г.М. Обоснование способа рекультивации и восстановления территории после ликвидации анилинокрасочного производства// Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика: материалы IX Всерос. науч.-практ. конф.студентов, аспирантов и молодых ученых, [г.Пермь,

декабрь 2011г.]/ Перм. нац. исслед. политехи, ун-т. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2011. -С.125-130.

9. Ирзина Е.П., Швецова И.Н., Батракова Г.М. Обоснование способа восстановления территории после ликвидации производства анилинового синтеза// Вестник ПНИПУ. Урбанистика. - 2012. - № 1. - С.69-77.

10.Ирзина Е.П., Швецова И.Н. Биологический метод рекультивации техногенных поверхностных образований с использованием активного ила// Химия. Экология. Биотехнология-2012: тез. докл. XIV регион, науч.-пракг. конф. студентов и мол. ученых (г.Пермь, 18-19 апр. 2012г.)/Перм. нац. исслед. политехи, ун-т. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. - С.114-116.

ll.Shvetcova I., Batrakova G. Research of Ecological Hazard of Building Materials after Exploitation in Aggressive Industrial Environment// 12th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2012: conf.proc., Albena, Bulgaria, 1723, June, 2012/Min.of environment and eater Bulgaria, Bulg.acad. of sciences, Acad, of sciences of the Czech Rep., Russ.acad. of sciences [et. al.]. - Sofia, 2012. - Vol.V. - P. 693-698.

12.Швецова И.Н. Соблюдение требований экологической безопасности при обращении с техногенными почвогрунтами промышленной площадки производства анилина// Экологические проблемы горно-промышленных регионов: сб.докл. Междунар. молодежной конф. [г.Казань], 12-13 сент. 2012г./ М-во образ, и науки РФ, Казан.нац.исслед.технол.ун-т. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. - 269 с. - С.256-257.

13.Shvetcova I., Batrakova G., Bazileva Y. The application of MFA-method for determination of waste volumes from liquidation of industrial plants// ISWA Beacon: 2nd Intern. Conf. on Final Sinks: Sinks a Vital Element of Modern Waste Management, 16-18 May 2013, Espoo, Finland/Aalto University School of Engineering fet al.]. - Helsinki, 2013. -P.317-322.

14.Швецова И.Н., Батракова Г.М. Снижение экологической опасности отходов сноса и демонтажа производственных зданий и сооружений// Твердые бытовые отходы: системы управления и технические решения: сб. докл. Междунар. ассоц. по твердым отходам (ISWA), г. Москва, 28 - 29 мая 2013г./ ISWA Intern. Solid Waste Assoc. - Москва: SIBICO Intern. Ltd., 2013 - электрон, оптич. диск (CDR).

Подписано в печать 16.07.2013. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1595/2013.

Отпечатано в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33.