Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Обоснование применения осадка сточных вод в качестве рекультиванта, при восстановлении территорий, нарушенных карьерными разработками

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Обоснование применения осадка сточных вод в качестве рекультиванта, при восстановлении территорий, нарушенных карьерными разработками"

ЗЕМСКОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД В КАЧЕСТВЕ РЕКУЛЬТИВАНТА ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ТЕРРИТОРИЙ, НАРУШЕННЫХ КАРЬЕРНЫМИ РАЗРАБОТКАМИ

06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 НОЯ 2013

Москва - 2013

005539901

Работа выполнена на кафедре организации и технологии строительства объектов природообустройства Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сметанин Владимир Иванович — заведующий кафедрой организации и технологии строительства объектов природообустройства Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Потапов Александр Дмитриевич - заведующий кафедрой инженерной геологии и геоэкологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО МГСУ);

- кандидат технических наук Корнеев Илья Викторович - доцент кафедры мелиорации и рекультивации земель Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП).

Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова Российской академии сельскохозяйственных наук.

Защита состоится: 24.12.2013 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, г. Москва, ул.Прянишникова, 19, ауд.1/201.

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

Автореферат диссертации размещен 18.11.2013 года на официальных сайтах Минобрнауки РФ и ФГБОУ ВПО МГУП.

Автореферат разослан 18.11.2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Сурикова Т.И.

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Активное развитие строительства за прошедшее столетие и в наше время стало причиной образования огромного количества выработанных карьеров по добыче нерудных полезных ископаемых. Так в настоящее время на территории Московской области располагается более 2000 заброшенных выработанных бесхозных карьеров и более 150 действующих, большинство из которых образовалось в результате разработки месторождений различных ископаемых, а именно строительного песка, щебня, гравия, торфа и многих других материалов.

Как правило, карьеры имеют глубину от 10 до 30 м при площадях отдельных выемок более 100 га. Кроме того, значительное количество карьеров и копаней было разработано несанкционированно. Многие подобные объекты расположены в водоохранных зонах и на особо охраняемых природных территориях.

Частичный возврат территории для хозяйственного использования и приведение карьеров в технически безопасное состояние достигается за счет проведения рекультивации.

В настоящее время, функциональной потребностью различных сфер производства и коммунального хозяйства, на современном этапе развития общества, является размещение в природной среде неутилизируемых отходов.

Очевидно, что использование ненарушенных земельных территорий для строительства полигонов нецелесообразно с экологической точки зрения. Поэтому, размещение отходов в выработанном пространстве карьеров, является альтернативным направлением рекультивации горных выработок. Одновременно решаются две важнейшие задачи - восстановление ландшафта и безопасное размещение отходов. Поскольку объем карьерных выработок велик, коммунальные и промышленные отходы выступают единственным потенциально значимым материальным ресурсом для их рекультивации.

В Российской Федерации за год образуется порядка 2 млн. тонн осадков сточных вод (ОСВ) по сухому веществу (при исходной влажности 98% их масса составляет порядка 100 млн. тонн). Только по официальным данным, например, в Московской области накоплено более 120 млн. тонн неутилизированных ОСВ и ежегодно эта цифра увеличивается на 14... 20 млн. тонн, суммарная площадь иловых полей превысила 700 га.

Условия их хранения, как правило, приводят к загрязнению поверхностных и подземных вод, почв, растительности. Поступая в подземные и грунтовые воды, водная вытяжка из ОСВ, придает им цветность, привкусы, что негативно отражается на качестве природных вод. Эта проблема с каждым годом обостряется и требует безотлагательного решения.

С одной стороны, функциональной потребностью различных сфер производства и коммунального хозяйства, является размещение в природной среде неутилизируемой части отходов, с другой - рекультивация нарушенных земель.

Цель исследований — обоснование применения осадка сточных вод, а также различных смесей на его основе, в качестве рекультиванта при восстановлении нарушенных территорий карьерными разработками.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Изучить основные принципы рекультивации отработанных карьеров;

2. Изучить правовые аспекты регулирования процесса рекультивации отработанных карьерных разработок;

3. Изучить технологические особенности очистки сточных вод и образования ОСВ, проблемы их утилизации.

4. Провести лабораторные исследования физико-механических и технологических свойств ОСВ и различных смесей на его основе.

5. Провести полевые исследования по отработке технологии укладки ОСВ и его смесей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что на основании выполненных исследований получены следующие новые сведения:

1. При внесении песчаных грунтов в ОСВ происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз песка, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства - от 0 до 50%.

2. При внесении суглинистых грунтов в ОСВ, происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и снижение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз суглинка, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства - от 50 до 100%.

3. При внесении фосфогипса в ОСВ, происходит снижение плотности образующихся смесей, повышение их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз фосфогипса, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства — от 50 до 100%.

Практическая значимость диссертационной работы определяется возможностью использования результатов исследований в качестве практической основы для решения сразу несколько важных эколого-социальных проблем, а именно:

- возврата нарушенных карьерными разработками земель для их последующего целевого хозяйственного использования;

- ликвидация иловых площадок для хранения ОСВ и высвобождение земельных ресурсов;

- снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду;

- решение вопроса размещения и утилизации грунта, образованного в результате строительства.

Обоснованность и достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается данными натурных наблюдений и сопоставленным анализом результатов лабораторных экспериментов и натурных исследований в природно-технической системе.

Обоснованность и достоверность результатов, представленных в работе, подтверждается:

- достоверностью исходной информации для анализа, определяемой использованием выборки большого объема собственных данных, натурных и лабораторных исследований;

- использованием апробированных и общепринятых методик измерений и статистических методов для обработки полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения: обоснование применения осадка сточных вод и его смесей в качестве рекультиванта при восстановлении территорий, нарушенных карьерными разработками.

Апробация работы.

Исследования проводились в период с 2009 по 2013 годы. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены на 3-й Международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Новые инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации», проводимой в рамках 12-й Российской агропромышленной выставки «Золотая осень-2010» (Москва, 2010), Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (Москва, 2011), Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК» (Москва, 2012), Международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем» (Москва, 2013), Международной научно-практической конференции «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России», Костяковские чтения (Москва, 2013).

Публикаци.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4 печатных изданиях, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 116 страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных литературных источников, состоящего из 61 наименования, содержит 37 рисунков, 10 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Показано современное состояние выработанных карьерных разработок, а также пути и методы возврата данных территорий во внутрихозяйственное ведение, с использованием коммунальных отходов.

В первой главе рассмотрены основные принципы рекультивации отработанных карьеров. Даны основные определения и положения рекультивации нарушенных территорий. Нарушение земель происходит при осуществлении строительства объектов различного назначения. В процессе строительства или после его завершения нарушенные земли подлежат рекультивации.

Рассмотрены негативные воздействия карьерной разработки на окружающую среду. Так, например, один гектар нарушенной разработками территории ориентировочно оказывает вредное влияние на гектар прилегающей территории. Это объясняется наличием земель, занятых отвалами пустой породы, хвостохранилшцами, промышленными площадками, транспортными коммуникациями и др.

Ввиду того, что выработанное пространство карьерной разработки зачастую превращается в несанкционированную свалку бытовых и промышленных отходов, рекультивация данных объектов является одним из немногочисленных способов восстановления нарушенных территорий и имеет важное народнохозяйственное и природоохранное значение.

Исследования в области рекультивации нарушенных земель отражены в научных трудах и публикациях: А.И.Голованова, В.И.Сметанина, А.Е.Касьянова, Ф.М.Зимина, В.И.Голика, В.С.Коваленко и других ученых.

Во второй главе приведены правовые аспекты регулирования процесса рекультивации отработанных карьерных разработок.

Рассмотрены нормативно-правовые документы, регламентирующие обращение с отходами в Российской Федерации. Представленные документы дают полное представление о правовых основах экологического контроля, показывают разделение отходов, используемых в качестве рекультиванта, на классы опасности, регламентируют требования к предотвращению вредного воздействия на окружающую среду отходов производства и потребления при их хранении, захоронении и обезвреживании. На основании данных документов было определено, что исследуемые в качестве рекультиванта осадок сточных

вод (ОСВ) и фосфогипс, являющийся отходом производства минеральных удобрений, относятся к V классу опасности и не требуют оформления лицензии на право обращения с опасными отходами, при использовании предлагаемых материалов для восстановления нарушенных территорий.

Так закон РФ N 2395-1 от 21.02.1992 «О недрах» четко регламентирует общие требования к использованию искусственных и естественных полостей, выемок недр для целей хранения и захоронения отходов. Постановление Правительства РФ №461 от 16.06.2000 «О правилах разработки и утверждения нормативов образования отходов и лимитов на их размещение» регламентирует требования к установлению лимитов на размещение отходов, в том числе порядок предоставления документации, обосновывающей лимиты на размещение, а также установление нормативов образования отходов производства и потребления.

Разработка проектов нормативов образования отходов и лимитов на их размещение должна проводиться на основании методических указаний Ростехнадзора (утверждены Приказом №703 от 19.10.2007 «Об утверждении методических указаний по разработке проектов нормативов образования отходов и лимитов на их размещение»).

Лимиты на размещение отходов устанавливают предельно допустимое количество отходов конкретного вида, которые разрешается размещать определенным способом на установленный срок в объектах размещения отходов с учетом экологической обстановки данной территории.

Размещение отходов должно осуществляться на специально оборудованных объектах с разрешения природоохранных органов и с установлением лимитов.

Представленные нормативные акты и документы, четко определяют порядок, а также возможность использования предлагаемых в качестве рекультивантов осадка сточных вод, фосфогипса и минеральных грунтов.

В третьей главе рассмотрены технологические особенности очистки сточных вод и образования ОСВ, проблемы их утилизации.

В данной главе представлена технология очистки сточных вод на современных очистных сооружениях, на которых удаляют содержащиеся в сточных водах взвешенные, коллоидные и растворённые вещества. С целью доведения класса опасности ОСВ, как отхода производства до V-ro, на станциях аэрации в настоящее время применяют инновационные технологии, позволяющие на стадии биологической очистки, удалять избыточные концентрации биогенных элементов и других загрязняющих веществ.

Рассмотрены способы утилизации ОСВ, с учетом уровня их загрязнения. К таким способам относятся: захоронение, размещение на специальных площадках, сжигание, применение в сельском хозяйстве, а также

использование ОСВ в качестве одного из компонента, при производстве строительных материалов.

Захоронение осадков сточных вод следует применять только в случаях невозможности утилизации по техническим или экономическим причинам. Недостатки захоронения осадка заключаются в необходимости отвода больших участков земли и трудности исключения негативного воздействия на компоненты природной среды.

Сжигание осадка обеспечивает полное уничтожение органической части, сокращение объема и обеззараживание.

Основным преимуществом сжигания осадка, перед другими методами утилизации выступают следующие факторы:

• уменьшение объема утилизации за счет сжигания осадка (в 6-9 раз);

• использование золы в качестве сырья при производстве строительных

материалов и в дорожном строительстве;

• возможность получения из золы фосфорных удобрений;

• получение альтернативных источников тепло- и энергоснабжения.

К недостаткам можно отнести то, что при сжигании происходит неполное сгорание ОСВ, приводящее к выбросу огромного количества сажи и вредных органических соединений, таких как фенол и его производные, бенза-пирен и диоксины.

Применение ОСВ в качестве удобрений в сельском хозяйстве широко развито в странах Западной Европы. Использование ОСВ в сельском хозяйстве за рубежом достигает около 30 % от общего объема, а в нашей стране это значение не превышает 10%.

Причинами, сдерживающими использование осадков сточных вод в качестве удобрения, служат их высокая влажность, трудность удаления с иловых площадок, недостаточное количество и несовершенство механизмов и транспортных средств, используемых для вывоза ОСВ, наличие в них солей тяжелых металлов и патогенной микрофлоры.

Как показывает практика, в системе очистки сточных вод появились технологии доведения ОСВ до У-го класса опасности и механическое обезвоживание, что позволяет рассматривать обезвоженный ОСВ в качестве рекультиванта.

Теоретические положения и практические рекомендации по утилизации и размещению ОСВ изложили в своих научных трудах отечественные и зарубежные исследователи: В.Ф.Пивоваров, Б.А.Вайсфельд, А.И.Кремер, Л.И.Гюнтер, С.В.Борткевич, С.В.Храменков, A.Koenig, Я-С-ЗоттегБ, В.Никтап и др.

В четвертой главе приведены результаты лабораторных исследований физико-механических свойств ОСВ и различных смесей на его основе.

Сформулированы цель, определены задачи, разработаны методики проведения лабораторных исследований. Приведены результаты лабораторных испытаний.

Для проведения опытов по изучению физико-механических свойств как «чистого» ОСВ, так и различных смесей на его основе с добавлением песка, суглинка и фосфогипса, являющихся отходом производства V-ro класса опасности, была применена методика стандартного уплотнения фунтов, а для изучения изменения несущей способности каждого из образцов использовался плотномер В-1. Определение влажности осуществлялось термостатическим методом.

Изменение влажности ОСВ по мере его смешивания с песком, суглинком и фосфогипсом приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Изменение влажности образцов грунта на основе ОСВ по мере его смешивания с песком, суглинком и фосфогипсом

Подготовленные образцы ОСВ и его смеси с песком, суглинком и фосфогипсом были испытаны по методу стандартного уплотнения фунтов. На рисунке 2 приведены экспериментальные зависимости изменения плотности ОСВ и смесей «ОСВ-песок» от степени уплотнения.

9 12 15 18

Количество циклов уплотнения

-ОСВ 100%

-ОСВ 50%, песок 50 %

-ОСВ 40% песок 60%

ОСВ 90%, песок 10 % ' лесок 100%

-ОСВ 70%, песок 30% -ОСВ 60% песок 40%

Рисунок 2 - Зависимость изменения плотности ОСВ и смесей «ОСВ-песок»

от степени уплотнения Как видно из рисунка 2, смесь «ОСВ-50%, песок-50%» при уплотнении достигает наибольшей плотности, равной 1,73 т/м3. ОСВ (100%) и песок (100%) после уплотнения достигают соответственно плотности 1,66 и 1,62 т/м3. Однако несущая способность ОСВ и песка при этом достигает соответственно 0,0421 и 0,21 МПа.

Количество циклов уплотнения

I ОСВ 100% —*—ОСВ 90% песок 10% —■—ОСВ 70% песок 30%

* ОСВ 50% посск 50% —песок 100% —ОСВ 60% песок 40%

к ОСВ 40% песок 60%

Рисунок 3 - Зависимость несущей способности грунтовых смесей «ОСВ-песок»

от степени уплотнения

На рисунке 3 приведены графические зависимости изменения несущей способности грунтовых смесей разной степени смешения «ОСВ-песок» от степени уплотнения.

На рисунке 4 представлены экспериментальные зависимости несущей способности грунтовых смесей разной степени смешения «ОСВ-песок» и коэффициента фильтрации от степени уплотнения.

При добавке песка к ОСВ в объеме от 10% до 50% наблюдается более интенсивный прирост несущей способности, после достижения образцами максимальной плотности, с 0,052 до 0,19 МПа, рисунок 4а. Дальнейшее увеличение добавки песка к ОСВ на повышение несущей способности особого влияния не оказывает. На рисунке 46 приведена экспериментальная зависимость изменения коэффициента фильтрации от степени разбавления ОСВ песком после уплотнения каждой пробы.

Концентрация песка. % Концентрация песка, %

а б

Рисунок 4 - Изменение основных физико-механических характеристик рекультиванта «ОСВ-песок» в зависимости от количества вносимого в ОСВ песка после уплотнения: а - несущей способности; б - коэффициента фильтрации уплотнении

Как видно из рисунка 46 по мере добавления песка в ОСВ его водопроницаемость увеличивается, при этом наблюдается практически линейная зависимость изменения коэффициента фильтрации после уплотнения образцов с 0,4 до 6,4 м/сутки в зависимости от степени разбавления ОСВ песком в диапазоне от 0 до 100%.

На рисунке 5 приведены экспериментальные зависимости изменения плотности ОСВ и смесей «ОСВ-суглинок» от степени уплотнения.

Как видно из рисунка 5, смесь «ОСВ-50%, суглинок-50%» при уплотнении достигает наибольшей плотности, равной 1,766 т/м3. ОСВ (100%) и суглинок (100%) после уплотнения достигают соответственно плотности 1,669 и 1,53 т/м3.

Количество циклов уплотнения

-осв юо%

-ОСВ 50% суглинок 50% -ОСВ 30% суглинок 70%

— ОСВ 90% суглинок Ю% »суглинок ЮО%

• ОСВ 70% суглинок ЭО% ОСВ 40% суглинок 60%

Рисунок 5 - Зависимость изменения плотности ОСВ и смесей «ОСВ-суглинок»

от степени уплотнения

На рисунке 6 представлены экспериментальные зависимости несущей способности грунтовых смесей разной степени смешения «ОСВ-суглинок» и коэффициента фильтрации от степени уплотнения.

количество циклов уплотнения

-ОСВ юо% —ОСВ 50% ср-линок 50% •

-ОСВ 90% суглинок 10% -—суглинок 100% *

- ОСВ 70% суглинок 30% -ОСВ 40% суглинок 60%

"Ж — ОСВ 30% суглинок 70%

Рисунок 6 - Зависимость несущей способности грунтовых смесей «ОСВ-суглинок» от степени уплотнения

Как видно из рисунка 7а, добавка суглинка в объеме от 10 до 30% к ОСВ, на существенный прирост несущей способности влияния не оказывает. Показатели несущей способности для данных смесей колеблется в пределах от 0,042 до 0,049 МПа. При дальнейшем внесении суглинка в ОСВ, свыше 30%, наблюдается резкое повышение несущей способности с 0,049 до 0,74 МПа.

Концентрация суглинка, % Концентрация суглинка, %

а б

Рисунок 7 - Изменение основных физико-механических характеристик рекультиванта «ОСВ-суглинок» в зависимости от количества вносимого в ОСВ суглинка после уплотнения: а — несущей способности; б — коэффициента фильтрации уплотнении

Как видно из рисунка 76 коэффициент фильтрации смесей «ОСВ-суглинок» имеет характер снижения. По мере внесения суглинка в ОСВ коэффициент фильтрации смесей «ОСВ-суглинок» снижается с 0,36 до 0,0014 м/сутки, в зависимости от степени разбавления ОСВ суглинком в диапазоне от 0 до 100%.

На рисунке 8 приведены экспериментальные зависимости изменения плотности ОСВ и смесей «ОСВ-фосфогипс» от степени уплотнения.

! \ \ ; | ! ;

[ ——:— —■—!— —■ т : —!—1—1— —¡—1

! ! „ 1 )1г ! 1—*—!—!— —!—*

.....I ! А ! ! ■ ! »

; :

! I

Количество ЦИКЛОВ уплотнения

♦ фосфогипс 100% - ».....фосфогипс 70% ОСВ 30% —М

■ ')<' ' фосфогипс 60% ОСВ 50% —Ж"1" фосфогипс 30% ОСВ 70% —• —•4— ОСВ 100%

• фосфогипс 60% ОСВ 40% »фосфогипс 10% ОСВ 90%

Рисунок 8 - Зависимость изменения плотности ОСВ и смесей «ОСВ-фосфогипс» от степени уплотнения

Как видно из рисунка 8, уплотнение смесей ОСВ с фосфогипсом происходит при меньшем количестве циклов уплотнения, причем по мере добавления фосфогипса в ОСВ, плотность смесей постепенно понижается. Их плотность изменяется в пределах их «чистых» состояний (от 1,69 т/м3 - ОСВ -100% и до 1,01 т/м3 - фосфогипс-100%). Однако, как видно из рисунка 9, по мере разбавления ОСВ фосфогипсом, происходит повышение несущей способности ОСВ, с 0,048 до 0,358 МПа.

Количество циклов уплотнения -фосфогипс 100% ■ фосфогипс 70% ОСВ 30% —

•фосфогипс 50% ОСВ 50% II« фосфогипс 30% ОСВ 70% — -ОСВ 100%

- фосфогипс 60% ОСВ 40% -фосфогипс 10% ОСВ 90%

Рисунок 9 - Зависимость несущей способности грунтовых смесей «ОСВ-фосфогипс» от степени уплотнения

На рисунке 10 приведены графические зависимости изменения основных физико-механических характеристик смесей «ОСВ-фосфогипс» в зависимости от количества, вносимого в ОСВ фосфогипса.

Как видно из рисунка 10а, внесение в ОСВ фосфогипса в пределах от О до 50% повышения несущей способности смесей не наблюдается, и лишь при внесении свыше 50% - происходит повышение несущей способности от 0,0436 до 0,358 МПа.

В тоже время, при внесении даже незначительных доз фосфогипса в ОСВ, наблюдается повышение водопроницаемости (рис 106). Происходит изменение коэффициента фильтрации смесей «ОСВ-фосфогипс» с 0,35 до 6,48 м/сутки.

Концентрация фосфогипса, % Концентрация фосфогипса, %

а б

Рисунок 10 - Изменение основных физико-механических характеристик рекультиванта «ОСВ-фосфогипс» в зависимости от количества вносимого в ОСВ фосфогипса после уплотнения: а — несущей способности; б — коэффициента фильтрации

На основании выполненных лабораторных исследований сделаны следующие выводы:

1. При внесении песчаных грунтов в ОСВ происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства — от 0 до 50%.

2. При внесении суглинистых грунтов в ОСВ происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и снижение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства — от 50 до 100%.

3. При внесении фосфогипса в ОСВ происходит снижение плотности образующихся смесей, повышение их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства - от 50 до 100%.

В четвертой главе, также выполнены исследования изменения коэффициента фильтрации различных по составу смесей грунта на основе ОСВ в процессе их уплотнения. По результатам исследований построены графические зависимости изменения коэффициента фильтрации грунтовых смесей в процессе их уплотнения (рисунок 11).

В виду того, что в качестве основного рекультивационного слоя используется ОСВ, состоящий из коллоидных и глинистых частиц с большой активной поверхностью, которые при гидратации способны к образованию в ОСВ рыхлосвязанной воды, в состав лабораторных исследований были

включены работы по изучению процесса набухания ОСВ при различной степени его уплотнения.

Формирующиеся вокруг коллоидных и глинистых частиц рыхлосвязанная влага, уменьшает силы сцепления между ними, раздвигает их и этим вызывает увеличение объема грунта.

Кол-во циклов уплотнения

—ф— 0св-100% —«—ОСВ-90%, пессж-10% ........— ОСВ-70%, пессж-30% —X—ОСВ-50%, песок-50%

—Ж— 0св-90%, сугл-10% —•—ОСВ-70%, сугл-30% —I—ОСВ-50%, сугл-50% суглинок-100% -ОСВ-90%, фосф-10% ОСВ-70%, фосф-30% —т— ОСВ-50%, фосфо-50% фосфогипс-100%

Рисунок 11 - Зависимость коэффициента фильтрации грунтовых смесей от степени их уплотнения

Величина набухания ОСВ является их важным свойством, которую необходимо учитывать при проведении технического этапа рекультивации выработанных карьеров.

Согласно принятых методик определение деформации набухания (Ян) находится путем деления результатов измерения объема или высоты образца ОСВ до гидратации и после, выражаемое в процентах.

Для исследования данного процесса используется прибор свободного набухания грунтов (ПСНГ).

Полученные результаты исследований свободного набухания ОСВ, в зависимости от степени его уплотнения, представлены в диссертации, по которым построены графики, рисунки 12 и 13.

На рисунке 12 представлены результаты свободного набухания ОСВ от степени уплотнения. На рисунке 13 - результаты деформации, вызванные набуханием ОСВ, в зависимости от степени его уплотнения.

В . . А к А

О 50 100 150 200

Время наблюдения, мин

# 3-й цикла уплотнения -49—10 циклов уплотнения —20 циклов уплотнения —•—30 циклов уплотнения

Рисунок 12 - Зависимость свободного набухания ОСВ от степени уплотнения

Время наблюдения, мин

'3 цикла уплотнения —»—10 циклов уплотнения А 20 циклов уплотнения —♦—30 циклов уплотнения

Рисунок 13 - Зависимость деформации набухания ОСВ от степени уплотнения

Испытания в лаборатории на свободное набухание ОСВ с различной степенью уплотнения, можно сказать, инсценируют технологические процессы в искусственно созданных условиях и показывают следующее:

- время интенсивного процесса набухания, а также степень деформации ОСВ, напрямую зависит от степени уплотнения исследуемого образца грунта. Так для ОСВ, доведенного до плотности 1,42 т/м3 (3 цикла уплотнения), время процесса интенсивного набухания составляет 15 минут, а максимальная степень деформации - 0,47%, тогда как для ОСВ, доведенных до плотности 1,67 т/м3 (30 циклов уплотнения), время интенсивного набухания составило 5 минут, а максимальная степень деформации снижается до 0,23%.

В этой связи следует отметить то, что при гидратации (увлажнении) ОСВ его свободное набухание и деформации набухания снижаются обратно пропорционально степени его уплотнения. Это говорит о том, что при укладке ОСВ с послойным уплотнением при его гидратации будут проявляться наименьшие вертикальные деформации. По классификации ОСВ-с такими показателями набухаемости можно отнести к группе не набухающих грунтов.

В толще осадка сточных вод, а также различных смесей на его основе, используемых для рекультивации карьерных выработок, под воздействием микрофлоры происходят биотермические процессы распада органической составляющей.

В результате этого процесса образуется биогаз, макрокомпонентами которого являются метан (СЕЦ) и диоксид углерода (С02) их соотношение может меняться от 40... 70% до 30... 60% соответственно. В существенно меньших концентрациях присутствуют как правило - азот (N2), кислород (02), водород (Н2). В качестве микропримесей в состав биогаза могут входить десятки различных органических соединений, обладающие вредным для здоровья человека и окружающей среды воздействием.

Согласно методики расчета количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу полигонами твердых бытовых и промышленных отходов, разработанной Научно-производственным предприятием «Экопром» Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, состав биогаза и концентрация образующихся в нем компонентов, определяют с помощью газоанализаторов. Для этих целей отбирают пробы биогаза на полигонах в ряде точек с глубины 1,0... 1,5 метра.

С целью изучения процесса газообразования в толще ОСВ и его смесей, использована установка, схема которой показанная на рисунке 14.

При проведении эксперимента определялись концентрации метана, оксида углерода и сероводорода в образующемся биогазе.

На рисунке 14 приведена лабораторная установка для определения основных компонентов биогаза, в которую входят: герметичная цилиндрическая емкость, диаметром 500 мм и высотой 1400 мм, газодренажная скважина диаметром 100 мм, газоанализатор марки Drager Х-аш 7000, трубка для отсоса пробы биогаза.

Рисунок 14 - Схема установки по определению компонентов биогаза 1- герметичная цилиндрическая емкость, 2 - газодренажная скважина, 3-газоанализатор Б^ег Х-ат 7000, 4 - рекультивант, 5 - трубка отсоса пробы

биогаза

Установлено, что в смесях ОСВ с инертными материалами процессы образования биогаза достаточно слабо выражены.

Для обеспечения процесса газогенерации, пространство между цилиндрической емкостью и газодренажной скважиной установки заполнялось рекультивантом на основе смеси обезвоженного осадка сточных вод и фосфогипсом.

Исследованию подвергались образцы со следующим составом:

-ОСВ -100%;

- ОСВ - 90%, фосфогипс - 10%;

- ОСВ - 70%, фосфогипс - 30%;

- ОСВ - 50%, фосфогипс - 50%.

В результате проведенной серии экспериментов, полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты химического анализа биогаза, образующегося в ОСВ и его смесях с фосфогипсом _

Наименование Единица измерения ОСВ-100% ОСВ-90%, фосфогипс-10% осв-зо%, фосфогипс-70% ОСВ-50%, фосфогипс-50%

СН4 мг/м3 35,8 42,1 121 85,9

СО мг/м3 27,9 34,9 97,8 220,07

Н2Б мг/м3 67,3 138,84 206,85 348,3

На основании полученных экспериментальных данных газохимического анализа построены зависимости изменения концентрации выделяемых газов в зависимости от процентного содержания фосфогипса в смеси ОСВ (рисунок 15).

400 ——————————————————————————————

О 10 20 30 40 50 60

Содержание фосфогипса, %

♦ метан CH4 В оксид углерода СО А сероводород H2S

Рисунок 15 - Графические зависимости изменения концентрации выделяемых газов от содержания фосфогипса в смеси с ОСВ

Полученные результаты исследований позволяют сделать следующие

выводы:

1. В ОСВ и его смесях с инертными материалами протекают достаточно слабо выраженные процессы метаногенеза;

2. При внесении в ОСВ фосфогипса наблюдается интенсификация газообразования, при этом по мере увеличения дозы внесения в ОСВ фосфогипса растет образование оксида углерода и сероводорода;

3. При внесении в ОСВ фосфогипса в диапазоне от 10 до 30%, наблюдается увеличение образования метана, но при дальнейшем повышении дозы внесения фосфогипса свыше 30% происходит некоторое затухание процессов метаногенеза.

Следует отметить, что метан, оксид углерода относятся к газам, разрушающим озоновый слой, а также являются вредными для здоровья человека.

Глава 5. Полевые исследования укладки ОСВ и его смесей при рекультивации карьерных разработок

Цель полевых исследований заключается в проверке результатов лабораторных исследований и разработке рекомендаций по рекультивации карьерных разработок с применением ОСВ и его смесей. Для проведения натурных исследований был выбран отработанный карьер по разработке строительного песка, расположенный вблизи г. Электроугли Ногинского района в Московской области. Местоположение определено координатами: широта - 55°44'N; долгота - 38°9'Е.

Площадь территории, занимаемая объектом, составляет 69,7 га. Глубина карьера варьирует от 12 м до 25 м. Коэффициент заложения откосов равен 1.

При рекультивации карьера были использованы рекультиванты: ОСВ 100 %; ОСВ - песок (в пропорции 7:3) и ОСВ - суглинок (в пропорции 7:3).

Методика проведения натурных исследований.

На территории отработанной карьерной выработки по добыче строительного песка было выделено три опытных участка с размерами в поперечнике 17x17 м.

На первом участке отсыпали ОСВ послойно. Для этого на опытную площадку рассредоточено разгружали 10 автосамосвалов с вместимостью кузова 12 м3, доставляющих ОСВ с очистных сооружений. Далее ОСВ разравнивали бульдозером с доведением слоя до толщины равной 0,4...0,45 м. После разравнивания ОСВ производили уплотнение его грунтоуплотняющей машиной числом попутных проходов по одному следу, равном 6.

Далее на уплотненный слой ОСВ отсыпали свежий слой в той же последовательности.

На втором участке отсыпали ОСВ и песок в пропорции 7:3 (7 самосвалов ОСВ и 3 самосвала песка). На первом этапе выполнения работ отсыпали 7 самосвалов ОСВ, с последующим разравниванием бульдозером. После разравнивания ОСВ по его верху отсыпали 3 автосамосвала песка и производили разравнивание песка бульдозером с равномерным его распределением по площади опытного участка. После выравнивания песка производили его перемешивание с ОСВ дисковой бороной за один попутный проход. Завершающим этапом подготовки опытного участка выполнялось уплотнение рекультивата грунтоуплотняющей машиной за 6 попутных проходов по одному следу.

На третьем участке отсыпали ОСВ и суглинок в пропорции 7:3 (7 самосвалов ОСВ и 3 самосвала суглинка). Процесс подготовки опытного участка для проведения полевых исследований выполнен аналогично со вторым участком.

По данной технологии было отсыпано по 4 слоя на каждом опытном

участке.

После завершения работ на трех опытных участках были определенны плотность и несущая способность исследуемых рекультивантов. Результаты приведены в таблице 2.

В ходе проведения полевых исследований была установлена справедливость ранее полученных результатов и положений, принятых в процессе выполнения лабораторных исследований.

Важным этапом завершающего процесс рекультивации выработанных карьеров является определение просадки финального перекрытия карьерной разработки, после завершения технического этапа рекультивации с применением ОСВ, а также различных смесей на его основе.

Для изучения просадочных явлений была использована методика, изложенная в П87-2001 «Рекомендации по проведению натурных наблюдений за осадками грунтовых плотин», разработанных ОАО «ВНИИГ им Б.Е. Веденеева». По данной методике рекомендуется в основание тела участков рекультивации размещать глубинные реперы для определения осадки рекультиванта, размещенного в теле карьерной выработки.

Таблица 2 - Результаты полевых исследований в сопоставлении с

лабораторными

№ участка Состав рекультиванта Показатели

Натурные исследования Лабораторные исследования

Плотность, т/м3 Несущая способность МПа Плотность, т/м3 Несущая способность МПа

1 ОСВ -100% 1,617 0,0416 1,669 0,0421

2 ОСВ 70%-песок 30% 1,673 0,0879 1,711 0,0891

3 ОСВ 70%-суглинок 30% 1,689 0,0461 1,721 0,049

Визуальные наблюдения и инструментальный контроль осадки грунтов финального перекрытия рекультивируемой территории проводились 2011 и 2012 годах с интервалом 1 раз в месяц. На основании выполненных измерений построены графические зависимости осадки поверхности финального перекрытия во времени (рисунок 16).

В ходе проведения натурных исследований осадки поверхности финального перекрытия тела карьерной выработки определена незначительная осадка за весь период наблюдения. Так для рекультиванта «ОСВ -100%» осадка за период 18 месяцев составила 99 мм. Для образца «ОСВ - 70%, песок -30%» этот показатель составил 68 мм и 78 мм для образца «ОСВ - 70%, суглинок-30%» соответственно.

Отрицательное значение осадки основного рекультивационного слоя в зимний период, с 8-го по 10-й месяц наблюдения,' связаны с водонасыщением рекультивационного слоя, вследствие инфильтрации талой воды, а также проявлением свойств пучения верхнего защитного слоя, выполненного из суглинка.

Время наблюдения, мес.

Рисунок 16 - графические зависимости осадки поверхности финального перекрытия тела карьерной выработки во времени

Заключение

В виду того, что выработанное пространство карьерной разработки часто становятся несанкционированными свалками бытовых и промышленных отходов, в диссертационной работе рассмотрены и взяты за основу принципы рекультивации данных объектов, образованных в результате добычи нерудных

материалов. Рекультивация подобных объектов, является одним из немногочисленных способов восстановления нарушенных территорий и имеет важное народнохозяйственное и природоохранное значение.

Выполнены исследования различных вариантов применения ОСВ и смесей на его основе в качестве рекультиванта при восстановлении территорий, нарушенных карьерными разработками. Результаты проведенных лабораторных исследований и полевых испытаний позволили обосновать применение осадка сточных вод в качестве рекультиванта, при восстановлении территорий, нарушенных карьерными разработками.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

1. Изучены особенности технологий очистки сточных вод и образования ОСВ, проблемы их утилизации, и как показывает практика, в системе очистки сточных вод появились технологии очистки с доведением ОСВ до У-го класса опасности, что позволяет рассматривать обезвоженный осадок сточных вод в качестве рекультиванта при восстановлении нарушенных территорий.

2. На основании выполненных лабораторных исследований получены новые сведения о физико-механичеких свойствах предлагаемых рекультивантов на основе ОСВ:

2.1. При внесении песчаных грунтов в ОСВ происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства — от 0 до 50%.

2.2. При внесении суглинистых грунтов в ОСВ происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и снижение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства — от 50 до 100%.

2.3. При внесении фосфогипса в ОСВ происходит снижение плотности образующихся смесей, повышение их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства - от 50 до 100%.

2.4. Изучен процесс свободного набухания ОСВ в зависимости от степени уплотнения. Установлено, что время интенсивного процесса набухания, а также степень деформации ОСВ, напрямую зависит от степени уплотнения исследуемого образца грунта. Так для ОСВ, доведенных до плотности 1,42 т/м3 (3 цикла уплотнения), время процесса интенсивного набухания составляет 15 минут, а максимальная степень деформации - 0,47%, тогда как для ОСВ, доведенных до плотности 1,67 т/м3 (30 циклов уплотнения), время интенсивного набухания составило 5 минут, а максимальная степень деформации снижается до 0,23%.

В этой связи следует отметить то, что при увлажнении ОСВ его свободное набухание и деформации набухания снижаются обратно пропорционально степени его уплотнения. Это говорит о том, что при укладке ОСВ с послойным уплотнением при гидратации его будут проявляться наименьшие вертикальные деформации. По классификации ОСВ с такими показателями набухаемости можно отнести к группе не набухающих или слабо набухающих грунтов.

2.5. Установлено, что в ОСВ и его смесях с инертными материалами процессы образования биогаза достаточно слабо выражены. При внесении в ОСВ фосфогипса в диапазоне 10... 30% наблюдается увеличение образования метана, диоксида углерода и сероводорода, а при повышении дозы внесения фосфогипса свыше 30%, интенсивность образования диоксида углерода и сероводорода продолжает возрастать, а метана снижаться.

2.6. Установлено, что укладка рекультиванта с послойным уплотнением по предлагаемой технологии позволит увеличить объем утилизируемого ОСВ, а также различных смесей на его основе, более чем в 1,4 раза.

3. В ходе проведения полевых исследований получили подтверждение результаты и основные выводы лабораторных исследований, а также получены новые сведения по осадке поверхности финального перекрытия тела карьерной выработки.

Определена незначительная осадка поверхности финального перекрытия тела карьерной выработки за весь период наблюдения. Так для рекультиванта «ОСВ -100%» осадка за период 18 месяцев составила 99 мм. Для образца «ОСВ - 70%, песок -30%» этот показатель составил 68 мм и 78 мм для образца «ОСВ - 70%, суглинок-30%» соответственно.

4. Полученные результаты диссертационного исследования позволят научно обоснованно применять ОСВ и различные смеси на его основе в качестве рекультиванта при восстановлении территорий, нарушенных карьерными разработками.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

Издания, рекомендуемые ВАК РФ

1. Земсков В.Н. Результаты исследования физико-механических свойств смесей осадка сточных вод с грунтами и фосфогипсом для использования их в качестве рекультиванта [текст]/В.И.Сметанин, В.Н.Земсков//Вестник МГСУ: научно-технический журнал.- М.: 2013, №6 - С. 204 - 213 ISSN 2304-6600.

2. Земсков В.Н. Рекультивация земель с использованием осадка сточных вод [текст]/В.И.Сметанин, В.Н.Земсков //Природообустройство: научно-практический журнал.-М.2013, №2 - С.15..20 ISSN 1997-6011

3. Земсков В.Н. Исследование водопроницаемости специально подготовленного осадка сточных вод, используемого для рекультивации нарушенных земель [текст]/В.И.Сметанин, В.Н.Земсков

//Природообустройство: научно-практический журнал.-М.2013, №3-С.14..18 ISSN 1997-6011

Отраслевые научные издания:

1. Земсков В.Н. Исследование водопроницаемости органоминеральных смесей, используемых при рекультивации нарушенных

земель[текст]/В.И.Сметанин, В.Н.Земсков/Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства Россию) (Костяковские чтения). Материалы международной научно-практической конференции 20-21 марта 2013 года,- М.: 2013-С.522..527 ISBN 978-5-9238-0162-0

Подписано к печати 11.11.2013 г. Заказ №

ш.

Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Отпечатано в лаборатории множительной техники ФГБОУ ВПО Московского государственного университета Природообустройства 127550, г. Москва, ул.Прянишникова, д. 19

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Земсков, Владимир Николаевич, Москва

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет природообустройства

На правах рукописи

04201450569

Земсков Владимир Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД В КАЧЕСТВЕ РЕКУЛЬТИВАНТА, ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ТЕРРИТОРИЙ, НАРУШЕННЫХ КАРЬЕРНЫМИ РАЗРАБОТКАМИ

06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Сметании В.И.

Москва, 2013

Содержание

Введение.....................................................................................4

1. Основные принципы рекультивации отработанных карьерных разработок...................................................................................11

1.1. Основные положения и определения............................................11

1.2. Характеристика негативных воздействий карьерной разработки на окружающую природную среду.........................................................13

1.3. Геологические проблемы разработки полезных ископаемых...............18

1.4. Этапы рекультивации нарушенных земель.....................................23

1.5. Характеристика работ, выполняемых при рекультивации отработанных карьеров...................................................................24

2. Правовые аспекты регулирования процесса рекультивации отработанных карьерных разработок..................................................29

3. Очистка городских сточных вод.....................................................33

3.1. Технология очистки городских сточных вод...................................33

3.2. Способы утилизации ОСВ..........................................................35

3.3. Депонирование ОСВ на примере рекультивации Люблинских полей фильтрации..................................................................................46

3.4. Организация работ по рекультивации карьерной выработки...............51

3.4.1 Схема рекультивации объекта....................................................51

3.4.2 Санитарно-защитная зона и системы мониторинга..........................53

3.4.3 Основные этапы и процесса рекультивации...................................57

4. Лабораторное исследование физико-механических свойств ОСВ и различных смесей на его основе........................................................63

4.1. Обоснование использование ОСВ в качестве рекультиванта...............63

4.2. Определение основных физико-механических свойств образцов

грунта.........................................................................................64

4.2.1 Определение максимальной степени уплотнения, плотности и

2

несущей способности различных смесей грунтов на основе ОСВ...............64

4.2.2 Определение зависимости коэффициента фильтрации различных

по составу смесей на основе ОСВ от степени уплотнения........................80

4.2.3 Исследование процесса набухания ОСВ, используемого в качестве основного рекультивационного слоя, при различной степени уплотнения.. .85

4.2.4 Исследование биохимического газообразования в грунтах на основе

ОСВ при различной концентрации фосфогипса....................................91

5. Натурные исследования рекультивации карьерных разработок с помощью ОСВ, а также различных смесей на его основе........................99

5.1 Описание объекта рекультивации.................................................99

5.2 Проведение натурных исследований............................................102

Заключение................................................................................108

Список литературы......................................................................111

Приложения...............................................................................117

Введение

Актуальность работы.

Активное развитие строительства за прошедшее столетие и в наше время стало причиной образования огромного количества выработанных карьеров по добыче нерудных полезных ископаемых. Так в настоящее время на территории Московской области располагается более 2000 заброшенных выработанных бесхозных карьеров и более 150 действующих [1], большинство из которых образовалось в результате разработки месторождений различных ископаемых, а именно строительного песка, щебня, гравия, торфа и многих других материалов.

Как правило, карьеры имеют глубины от 10 до 30 м при площадях отдельных выемок более 100 га. Кроме того, значительное количество карьеров и копаней было разработано несанкционировано. Многие подобные объекты расположены в водоохранных зонах и на особо охраняемых природных территориях. Общая площадь земель, нарушенная карьерными разработками, превышает 38 000 га.

При разработке полезных ископаемых открытым способом можно выделить два вида нарушений: ландшафтные и экологические. Под ландшафтными нарушениями понимается нарушение земной поверхности. Под экологическими - падение биологической продуктивности и резкое снижением качества окружающей среды, что оказывает угнетающее действие на флору, фауну и здоровье человека.

Так, при добыче полезных ископаемых открытым способом, формируется техногенный пересеченный рельеф, состоящий из высоких насыпей и глубоких впадин. При изменении отметок местности образуются положительные формы техногенного рельефа (искусственные возвышенности) и отрицательные формы (овраги, балки, лощины, котлованы и др.). Разность отметок может достигать до 100 м. Усиление контрастности среды существенно влияет на повышение активизации обмена веществом и

энергией как внутри нового ландшафта, так и между ним и смежными природными комплексами. По этой же причине происходит интенсификация процессов овраго- и оползнеообразования.

Производство открытых разработок полезных ископаемых приводит к снижению уровня грунтовых вод. Неблагоприятные гидрогеологические условия в ареале отработанных карьеров вызывают снижение урожайности сельскохозяйственных культур, уменьшение прироста древесины.

Гидрологические изменения условий района добычи полезных ископаемых определяются масштабом работ, их горнотехническими особенностями, положением грунтовых вод и др.

Еще одним существенным негативным воздействием на окружающую среду является образование стихийных неорганизованных свалок твердых бытовых и промышленных отходов в выработанном пространстве карьеров, сопровождающееся изменением качества атмосферного воздуха, грунтовых вод и почв в ареале горной выработки.

Частичный возврат территории во внутрихозяйственное использование и приведение карьера в технически безопасное состояние достигаются за счет проведения технической рекультивации. Однако техническая рекультивация не решает всех экологических проблем, возникающих после завершения разработки полезных ископаемых. В мировой практике существует несколько пострекультивационных направлений освоения отработанных карьеров: сельско-, лесо-, и водохозяйственное использование, эксплуатация внутрикарьерных площадок для промышленного, гражданского, рекреационного строительства. Несмотря на то, что концептуально и технически вышеуказанные направления разработаны, в России имеются лишь единичные примеры подобного использования карьерных разработок, в то время как остро стоит необходимость рекультивации деградированных земель.

С другой стороны, функциональной потребностью различных сфер производства и коммунального хозяйства на современном этапе развития общества является размещение в природной среде неутилизируемых отходов.

Очевидно, что использование ненарушенных земельных территорий для строительства полигонов не целесообразно с экологической точки зрения. Поэтому, размещение отходов в выработанном пространстве карьеров является альтернативным направлением рекультивации горных выработок. Одновременно решаются две важнейшие задачи - восстановление ландшафта и безопасное размещение отходов. Поскольку, объем карьерных выработок велик, коммунальные и промышленные отходы выступают единственным потенциально значимым материальным ресурсом для их рекультивации с последующим лесохозяйственным, рекреационным и сельскохозяйственным использованием.

Следует отметить, что отходы несут в себе существенную потенциальную экологическую опасность. В связи с этим, использование отходов в качестве рекультивационных материалов требует выполнения особых условий их размещения в окружающей среде. Это и обеспечение высокой степени инженерной защиты геологической среды от проникновения загрязняющих веществ, использование технологий предварительной подготовки перед размещением, применение современных методов складирования.

Проблема размещения отходов - это проблема всех больших городов. Европейские страны, являясь обществом потребления уже давно, проблему уничтожения и переработки отходов решают на комплексной основе. В России фактически единственным способом уничтожения отходов в основном остается «захоронение на полигонах», или попросту на свалках.

В Российской Федерации за год образуется порядка 2 млн. тонн осадков сточных вод (ОСВ) по сухому веществу (при исходной влажности 98% их масса составляет порядка 100 млн. тонн). Только по официальным

данным, например, в Московской области накоплено более 120 млн. тонн неутилизированных ОСВ, ежегодно эта цифра увеличивается на 14...20 млн. тонн, суммарная площадь иловых полей превысила 700 га [2,3].

Осадки городских очистных сооружений коммунальных стоков представляют собой органические (до 80%) и минеральные (около 20%) примеси, выделенные из воды в результате механической, биологической и физико-химической очистки. В состав ОСВ входят вещества, обладающие общетоксическими, токсикогенетическими, эмбриотоксическими, канцерогенными и другими негативными свойствами. В ОСВ могут содержаться тяжелые металлы Cr, Cd, Hg, Cu, Pb, Со, Zn, Mo, патогенные организмы (бактерии, простейшие, гельминты, вирусы), избыточное количество нитратов, токсические вещества, пестициды, полихлорированные бифенилы, алифатические соединения, эфиры, моно- и полициклические ароматические вещества, фенолы, нитрозамины. Хранящиеся на иловых картах и отвалах осадки очистных сооружений, как правило, относятся ко второму классу (высоко опасные) или третьему классу (опасные) отходов. Выделяемые ОСВ вредные газы могут превышать предельно допустимые концентрации в несколько раз, а также иметь резкий неприятный запах.

Основная масса осадков складируется на иловых площадках и отвалах, создавая технологические проблемы в процессе очистки стоков. В 99% случаев иловые карты расположены рядом с очистными сооружениями, имеющими сброс в водные объекты. На большинстве очистных сооружений за последние 10... 15 лет очистка иловых карт не осуществлялась. Многие карты к настоящему времени переполнены, что вызывает огромную проблему размещения вновь образующихся осадков и переполнение уже существующих площадок.

Условия их хранения, как правило, приводят к загрязнению поверхностных и подземных вод, почв, растительности. Поступая в подземные и грунтовые воды, водная вытяжка из ОСВ придает им цветность,

привкусы, что негативно отражается на качестве природных вод. Эта проблема с каждым годом обостряется и требует безотлагательного решения.

С одной стороны, функциональной потребностью различных сфер производства и коммунального хозяйства является размещение в природной среде неутилизируемой части отходов, с другой - рекультивации нарушенных земель карьерами.

Цель работы - обоснование применения осадка сточных вод, а также различных смесей на его основе, в качестве рекультиванта при восстановлении нарушенных территорий карьерными разработками.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Теоретические исследования обоснования применения осадка сточных вод (ОСВ) и различных смесей на его основе, в качестве рекультиванта, при восстановлении территорий, нарушенных в результате карьерных разработок.

2. Лабораторные исследования изменения физико-механических свойств осадка сточных вод (ОСВ) и его смесей с различными грунтовыми материалами, а также отходами химического производства, отнесенных к V классу опасности.

3. Полевые исследования рекультивации нарушенных земель с использованием ОСВ.

4. Разработка рекомендаций по восстановлению нарушенных земельных территорий карьерными разработками с помощью ОСВ и вовлечение их в повторное использование.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что на основании выполненных исследований получены следующие новые сведения:

1. При внесении песчаных грунтов в ОСВ происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз песка, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства - от 0 до 50%.

2. При внесении суглинистых грунтов в ОСВ, происходит повышение плотности образующихся смесей, их несущей способности и снижение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз суглинка, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства - от 50 до 100%.

3. При внесении фосфогипса в ОСВ, происходит снижение плотности образующихся смесей, повышение их несущей способности и повышение водопроницаемости. Диапазон вносимых доз фосфогипса, при которых с наибольшей интенсивностью проявляются перечисленные свойства - от 50 до 100%.

Практическая значимость диссертационной работы определяется возможностью использования её результатов в качестве практической основы для решения сразу несколько важных эколого-социальных проблем, а именно:

- возврата нарушенных карьерными разработками земель для их оптимального хозяйственного использования;

- ликвидация иловых площадок для хранения ОСВ и высвобождение огромных территорий;

- снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду;

- решение вопроса размещения и утилизации грунта, образованного в результате строительства.

Обоснованность и достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается данными натурных наблюдений и сопоставленным анализом результатом лабораторных экспериментов и натурных исследований в природно-технической системе.

Обоснованность и достоверность результатов, представленных в работе, подтверждается:

- достоверностью исходной информации для анализа, определяемой использованием выборки большого объема собственных данных натурных и лабораторных исследований;

использованием апробированных и общепринятых методик измерений и статистических методов для обработки полученных результатов.

На защиту выносятся следующие положения:

- обоснование применения осадка сточных вод (ОСВ) и различных смесей на его основе, в качестве рекультиванта, при восстановлении территорий, нарушенных в результате карьерных разработок.

Апробация работы.

Исследования по теме проводились в период с 2009 по 2013 г.г. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены на 3-й Международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Новые инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации», проводимой в рамках 12-й Российской агропромышленной выставки «Золотая осень-2010» (Москва, 2010), на Международной научно-практическая конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (Москва, 2011), Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК» (Москва, 2012), Международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем» (Москва, 2013), Международной научно-практической конференции «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России» (Москва, 2013).

Публикация.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4 печатных изданиях, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 116 страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных литературных источников, состоящего из 61 наименований, содержит 37 рисунков, 10 таблиц и приложения.

ГЛАВА I.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ

КАРЬЕРНЫХ РАЗРАБОТОК 1.1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Комплекс работ по рекультивации нарушенных территорий проводится согласно требованиям Постановления Правительства Российской Федерации 23.02.94 №140 «О рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы» и «Основных положений о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы», утвержденных Приказом Минприроды России и Госкомзема от 22 декабря 1995 г. № 525/67. Проведении работ, связанных с нарушением почвенного покрова и рекультивацией земель, соблюдение установленных экологических и других стандартов, правил и норм при этом являются обязательными.

Рекультивация нарушенных земель - это комплекс работ направленный на восстановление продуктивности, хозяйственной ценности и улучшений условий окружающей среды для сельскохозяйственных, лесохозяйственных, строительных, рекреационных, природоохранных и сани�