Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Основные проблемы инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического изучения участков размещения полигонов захоронения ТБО и пути их решения

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Основные проблемы инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического изучения участков размещения полигонов захоронения ТБО и пути их решения"

На правах рукописи

Дементьев Сергей Юрьевич

РГб од

-3

яня

230$

Основные проблемы инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического изучения участков размещения полигонов захоронения ТБО и пути их решения.

04.00.06 - Гидрогеология 04.00.07 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 2000 г.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии Московской государственной геологоразведочной академии.

Научный руководитель доктор геолого-минералогических

наук, профессор Комаров И.С.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор Крайнов С.Р., кандидат геолого-минералогических наук Зайонц И.Л.

Ведущая организация Московский научно-производственный

центр геолого-экологических исследований и использования недр ("Геоцентр-Москва")

Защита состоится 21 декабря 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 063.55.09 в Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117485, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, аудитория 5.49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной геологоразведочной академии.

Автореферат разослан ноября 2000 г.

Отзывы на автореферата двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 117485, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23, МГГА

Ученый секретарь диссертационного совета, В.М. Кононов

кандидат геолого-минералогических наук, профессор

Н93{ . ЮЗ , 0

Введение.

Актуальность проблемы. Ключевое значение для решения проб-пем экологии в современную эпоху имеет декларация о развитии и окружа-ощей среде (ОС), принятая на "глобальном саммите" в Рио-де-Жанейро в 1992 г и составившая основу концепции "устойчивого развития". Существенную роль играет также резолюция XXI Конференции ООН по ОС и Развитию,

3 которой была отмечена тесная связь между экономикой и состоянием ОС 1 подчеркнуто, что только совместный учет этих двух аспектов может служить основой для устойчивого развития.

Одним из опасных источников загрязнения ОС являются свалки от-<одов производства и потребленсМггия, объем которых измеряется в настоящее время миллиардами тонн. Число мест организованного захоронения этходов, учтенных статистикой, составляет в России более 1100, но в дейст-зительности их гораздо больше, так как многие из них не санкционированы

4 не числятся ни в каких реестрах.

Существенное место занимают свалки твердых бытовых отходов ТБО), подразделяющиеся на современные (полигоны) и старые. Последним должно быть уделено особое внимание, т. к. большинство из них создавалось 5ез учета ландшафтных и геолого-гидрогеологических условий и, кроме того, з них нередко сбрасывались отходы промышленных предприятий, медицинских и других учреждений. В связи с этим загрязнение почво-грунтов и под-¡емных вод, вызываемое такими свалками, наиболее опасно.

В настоящее время в странах Запада осуществляется массовое збследование старых свалок с целью их ранжирования по степени опасности 1 ликвидации или санирования тех из них, которые представляют наиболь-иую угрозу. В ближайшее десятилетие аналогичные работы предполагается зсуществить и в России, для чего должна быть разработана экономичная и эффективная методика обследования свалок, выявлены характер и степень ¡агрязнения почво-грунтов и подземных вод, оценена степень опасности (агрязнения для жизни и здоровья населения. Методика требует соответствующего научного обоснования сучетом опыта, накопленного в этой области в России и за рубежом. Серьезные проблемы возникают также при выборе мест размещения новых полигонов ТБО, где должно быть обеспечено минимальное воздействие на ОС и здоровье человека. Этим вопросам и посвя-ценадиссертация.

Разработки выполнены на примере Московской области, которая является одной из ведущих в стране по экономическому потенциалу, типична то природным условиям для большей части Европейской территории России 1 характеризуется большой антропогенной нагрузкой на ОС, в том числе и ¡а счет загрязнения многочисленными свалками.

Цель работы заключается в разработке научного обоснования методики выбора мест размещения полигонов ТБО и изучения воздействия старых свалок на состояние ОС и здоровье населения с целью решения зопроса о необходимости осуществления мероприятий по санированию.

Основные задачи: I. Критический анализ показателей, используемых в современной практике

для оценки загрязнения почво-грунтов и подземных вод. I. Анализ и обобщение опыта изучения токсического и других видов загряз-

нения почво-грунтов и подземных вод в России и зарубежных странах (Германия, США, Голландия).

3. Разработка содержания комплекта карт, отражающихограничения, налагаемые на размещение полигонов ТБО правовыми, нормативными и другими документами, а также типологическое районирование территории по степени защищенности подземных вод от загрязнения (в развитие работ, выполненных сотрудниками ГГП Гидроспецгеология).

4. Разработка схемы исследований для выбора мест размещения полигонов ТБО.

5. Рассмотрение возможностей и ограничений использования для оценки токсичности подземных вод методов аналитической химии, биотестирования и сенсорных методов.

6. Разработка процедуры изучения и оценки загрязнения подземных вод на участках размещения старых свалок, включающей региональные исследования (картографирование) и многоэтапное обследование конкретных свалок с применением методов аналитической химии и биотестирования.

Исходный материал. Проанализирован и обобщен фактический

материал по свалкам ТБО, расположенным в Московской области, а также

в зарубежных странах - США и Германии.

Научная новизна работы:

1 Существенно уточнены и рассмотрены в единой системе процессы, происходящие в свалках ТБО и на путях миграции образующегося фильтрата.

2. Дополнены представления о свалке ТБО, как о химическом реакторе с изменяющимися во времени физическими параметрами, контролирующими направление, характер и интенсивность химических реакций и определяющими состав газов, загрязняющих воздушную среду, и фильтрата, поступающего в почво-грунты и подземные воды.

3. Показано, что загрязнение грунтов легкими УГВ и летучими органическими соединениями токсичных тяжелых металлов происходит не только через воздушную среду, но также на путях миграции фильтрата и при испарении с поверхности грунтовых вод.

Основные защищаемые положения:

1. Применяемая система показателей загрязнения грунтов и подземных вод, основанная на использовании критерия ПДК и фоновых концентраций несовершенна и требует обязательного учета времени воздействия на организм человека, форм, в которых представлены токсичные компоненты, возможного кумулятивного эффекта и дополнения показателями загрязнения, получаемыми с помощью биотестирования и сенсорных методов.

2. Свалка ТБО представляет собой химический реактор с изменяющимися во времени физическими параметрами, контролирующими направление и характер химических реакций и определяющими состав и интенсивность загрязнения воздушной среды, почво-грунтов и подземных вод. Установлены и описаны три главных этапа трансформации свалки во времени, различающиеся по всей сумме характеристик.

3. Рассмотрение в единой системе процессов, происходящих в теле свалки, на путях миграции фильтрата и в подземных водах создает

научную основу для разработки рациональной методики исследований, составления прогнозов, а также рекомендаций по применению защитных мероприятий.

4. Предложенные методы картографирования ограничений, налагаемых на размещение полигонов законодательством и нормативными документами, а также районирования территорий по степени защищенности подземных вод от загрязнения на основе типизации разрезов, позволяют решать вопросы о наиболее безопасном размещении полигонов ТБО.

5. Разработанные принципы многоэтапных исследований с привлечением картографирования и использованием методов аналитической химии, биотестирования и сенсорных методов обеспечивают эффективное и экономичное массовое обследование старых свалок и их ранжирование по степени опасности и необходимости применения санирующих мероприятий.

Практическая значимость работы. Результаты исследований были использованы при разработке проекта Территориальных строительных норм "Проектирование, строительство и рекультивация полигонов по захоронению твердых бытовых отходов на территории Московской области". Документ должен быть утвержден и издан в течение 2000 года.

Публикации. По теме диссертации опубликованы тезисы докладов и две статьи.

Апробация работы. Отдельные вопросы работы докладывались и обсуждались на II Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы" (Тула, 1998) и на IV Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 1999). Содержание диссертации было обсуждено на совместном заседании кафедр Гидрогеологии и Инженерной геологии МГГА.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет страниц, включая 20 рисунков и 44 таблицы. Список использованной литературы содержит 176 наименований.

Научным руководителем настоящей работы является доктор геолого-минералогических наук профессор И.С. Комаров, которому автор выражает особую признательность за ценные советы, позволившие более глубоко и полно раскрыть тему исследований.

Автор благодарен доктору геолого-минералогических наук В.Н. Экзарьяну, кандидатам геолого-минералогических наук C.B. Делятицкому, П.Г. Черткову за ряд ценных рекомендаций, полученных во время работы над диссертацией. Особую благодарность автор выражает доктору геолого-минералогических наук В.М. Швецу и профессору А.Б. Воронову за замечания и советы, использованные при корректировке глав диссертации.

Глава 1.

Охрана окружающей среды и проблема отходов.

Угрожающее положение с загрязнением ОС стало в последние годы предметом обсуждения на многочисленных международных и национальных :овещаниях и конференциях, по итогам которых было определено

5

стратегическое направление международной деятельности в области охраны ОС (ООС) и экономики. Согласно принятым решениям любые планы экономического развития в рамках государства, так же как любые инженерные прсгекты и инвестиции в любую отрасль человеческой деятельности, могут осуществляться лишь при условии всестороннего анализа ожидаемых положительных результатов и одновременно ущерба, наносимого ОС. В1996 г. Совет ЕС принял "Руководящую директиву" (96/61 ЕС), направленную на интеграционное предотвращение и контроль загрязнения. Один из пунктов программы посвящен отходам, аккумулируемым в свалках. Директива предусматривает осуществление около 2500 мероприятий, которые должны быть реализованы в течение 8 лет и коренным образом изменить положение в области ООС в странах ЕС.

В Советском Союзе также принят ряд постановлений направленных на ООС. К сожалению, механизм их реализации до конца разработан не был, а санкции за нарушения принимались редко и избирательно, что привело к тем тяжелым последствиям в состоянии ОС на территории России, которые наблюдаются в настоящее время. В 1990-1991 г. г. завершена разработка Государственной программы ООС и рационального использования природных ресурсов на период до 2005 г. Насколько последовательно и успешно она будет осуществляться в настоящее время сказать трудно.

И в России, и в других странах большое внимание уделяется задачам уменьшения объема образующихся отходов и их практического использования. Разработаны следующие основные направления: безотходные технологии, сжигание отходов с целью получения электроэнергии, рециклинг, т. е. использование отходов в других отраслях промышленности или для иных целей. Оставшаяся часть отходов подвергается захоронению. В России в настоящее времени ликвидацией или утилизацией охвачена лишь небольшая часть отходов (< 2 %), остальные подвергаются захоронению. При современной неблагоприятной экономической конъюнктуре существенных изменений в этой области ожидать трудно.

В настоящее время захоронение ТБО на территории РФ регламентируется рядом законов, нормативныхдокументов и инструкций, учитывающих существующую инфраструктуру и, в некоторой, но явно недостаточной степени, геолого-гидрогеологические условия территории.

На территории Московской области размещено более 200 свалок и полигонов ТБО, из которых 96-действующие, общей площадью более 678 га. Около 80 % из нихбыли сформированы более 15лет назад и размещены без учета природоохранных требований, нередко в весьма неблагоприятных геолого-гидрогеологических условиях.

Специальные инженерно-геологические и гидрогеологические исследования в местах размещения старых и проектирования новых полигонов ТБО начаты сравнительно недавно при участии ПГО "Гидроспецгеоло-гия", ГП Геоцентр-Москва, кафедр инженерной геологии МГРИ и МГУ. Был обследован ряд подмосковных полигонов и свалок с применением буровых работ и гидрогеохимического опробования. В 1998 г. на основании анализа результатов исследований были разработаны и утверждены "Методические рекомендации по проведению инженерно-экологических изысканий для целей рекультивации существующих свалок и проектирования вновь организуемых полигонов захоронения ТБО на территории Московской области".

Глава 2.

Система показателей, используемых при оценке загрязнения подземных вод и других компонентов окружающей среды.

В главе рассмотрены показатели, критерии и нормативы, принятые в России, США, Германии и Голландии для оценки загрязнения подземных вод. Выбор немецких и голландских нормативов определился тем, что они,, судя по имеющимся в литературе оценкам, разработаны наиболее обстоятельно и, по-видимому, лягут в основу общеевропейских стандартов.

Все применяемые в современной практике показатели разделены на две группы: а) показатели, основанные на определении наличия и концентрации в составе подземных вод вредных химических веществ, б) показатели-индикаторы. Первая группа показателей является наиболее обширной и наиболее традиционной. Устанавливаемые лабораторным путем концентрации вредных химических веществ сопоставляются либо с естественными (фоновыми) их значениями (подгруппа А), либо с установленными нормами (подгруппа Б). Показатели могут быть вычислены как для одного химического компонента (индивидуальные показатели), так и некоторой ассоциации компонентов (групповые показатели). В главе приведена характеристика отдельных показателей, оценены их достоинства и недостатки, определена возможность и целесообразность их использования при решении различных научных и практических задач. Показано, что широко используемые групповые показатели, основанные на аддитивном принципе, некорректны, так как совместное воздействие нескольких загрязнителей на здоровье человека не эквивалентно сумме воздействий каждого из них в отдельности. Как правило, наблюдается кумулятивный эффект, который может многократно усиливать воздействие отдельных компонентов и даже превращать безвредные вещества в токсичные.

Установлено, что использование показателей, основанных на сопоставлении с ПДК, принятыми для питьевого или хозяйственного водоснабжения, не всегда оправдано, т. к. ПДК не учитывает: а) длительности воздействия загрязнителя на организм человека; б) форму в котором представлен нормируемый элемент. Так, например, СГ3 сравнительно безопасен, но СГ6 представляет собой высокотоксичное соединение. Доля токсичных соединений ртути в ее валовом содержании не превышает 10-30%, а в почвах даже 1%. Медь при образовании комплексов с гумусовыми веществами повышает свою токсичность в 500 раз и т. д.; в) кумулятивного эффекта, о котором писалось выше. В фильтрате из свалок могут присутствовать любые соединения, и формальное использование ПДК создает опасность неверных оценок.

Важной проблемой является установление канцерогенности химических веществ. Если для токсического воздействия загрязнителей может быть установлен порог, ниже которого опасные последствия практически исключены, то для канцерогенности такой порогустановить невозможно, и приходится считаться с риском для здоровья человека даже при самых малых концентрациях канцерогенных веществ. В фильтрате из свалок присутствуют многие канцерогенные соединения, что создает опасность образования раковых заболеваний при загрязнении подземных вод, но этот

фактор пока учитывается в явно недостаточной степени.

Большое значение имеет определение воздействия химических веществ на геном человека в стадии эмбриона или взрослого человека, но пока результаты, которые могли бы иметь практическое значение, здесь не достигнуты. Опасность "отдаленных эффектов", которые затрагивают основополагающие функции живых организмов, такие как воспроизводство и биопродуктивность, может быть много больше, чем прямое токсическое воздействие на отдельные организмы.

Как следует из изложенного, вопросы изучения и оценки опасности загрязнения грунтов и подземных вод фильтратом из свалок еще далеки от удовлетворительного решения.

В главе приведено сопоставление нормативов загрязнения подземных вод, используемых для питьевого и хозяйственного водоснабжения, принятых в России, ФРГ, Голландии, США, а также разработанных Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ), которые довольно близки между собой, хотя в одних документах перечень нормируемых компонентов шире, в других уже, имеются различия и в установленных нормах, в некоторых случаях на порядок. Для решения вопроса о необходимости санирования, изложенные в них критерии, являются слишком жесткими и требуют осуществления мероприятий в масштабах непосильных для финансовых ресурсов государств. В связи с этим в СЩА и странах Западной Европы разработана дополнительная система критериев, рассчитанная на решение задач санирования. В ее основу положена теория "Хемриска". Соответствующие критерии приведены в Берлинском, Бранденбургском и Новом Голландском листах. Такой подход должен быть в перспективе реализован и в России.

Вопрос о загрязнении подземных вод органическими соединениями неизмеримо более сложен, прежде всего, потому, что число потенциальных загрязнителей исчисляется в этом случае не десятками, а многими сотнями и список их непрерывно растет. В отношении токсичности и канцерогенности они изучены значительно слабее и лишь о немногих из них имеются достаточно надежные данные. Главная же особенность органических загрязнителей заключается в том, что они становятся опасными даже при очень низких концентрациях, соизмеримых с разрешающей способностью применяемых методов и технических средств. Рассмотрены и оценены отдельные группы органических загрязнителей.

Ко второй группе показателей относятся индикаторы физического и физико-химического состояния среды (рН, ЕЬ!,); химическое и биохимическое потребление кислорода (ХПК, БПКп, БПК5) и др. Они не дают прямого ответа о составе и концентрации загрязнителей, но указывают на возможность их присутствия. Рассмотрены вопросы их использования.

Глава 3.

Свалки и полигоны ТБО - источник загрязнения окружающей

среды.

Процессы, происходящие в отходах, образующих тело свалки, в подстилающих грунтах и подземных водах отличаются многообразием и сложностью, находятся в различных формах взаимодействия и трудно поддаются изучению и описанию. В то же время решение вопросов, связанных

с разработкой рациональной методики инженерно-геологических и гидрогеологических исследований на участках размещения свалок и полигонов невозможно без получения достаточно ясного представления о характере, интенсивности и направленности этих процессов. В главе указанные вопросы рассмотрены в общей постановке с позиций специалиста по инженерной геологии и гидрогеологии. Особое внимание уделено особенностям миграции в глинистых грунтах. Рассмотрены два основных механизма миграции: конвекция и диффузия, а также сопровождающие процессы, которые способствуют или препятствуют массопереносу.

В хорошо водопроницаемых породах диффузия большой роли не играет и потому в расчетах обычно не учитывается, в глинах же, особенно тяжелых, она нередко не только не уступает конвективному массопереносу, но даже его превосходит. Рассмотрен механизм этого процесса с позиций молекулярной кинетики. Проанализированы результаты экспериментальных исследований диффузии в глинах, выполненных разными специалистами.

Большое влияние на массоперенос оказывает сорбция. В главе описаны 4 основных вида сорбции: катионная, анионная, органических веществ и микробиологическая. Оценено их значение для процесса загрязнения подземных вод.

Сложные процессы происходят также в самом фильтрате: полное или частичное разложение соединений с образованием токсичных или нетоксичных дериватов, образование комплексных соединений, обменные реакции, выпадение в осадок и др. Благодаря этому состав фильтрата "на выходе" из свалки и "на входе" в подземные воды заметно различается и по составу, и по степени токсичности.

Показано, что комплекс миграционных и других процессов в ходе существования свалки (полигона) заметно меняется во времени. Выделены и описаны три этапа существования свалки.

На начальной стадии образования свалка формируется из отходов, поступающих в нее в сухом или влажном состоянии. При свободном доступе кислорода в ней устанавливается среда с порядка 120-160 мВ и развиваются аэробные процессы с участием многочисленных групп бактерий и других микроорганизмов. Важнейшим из этих процессов является разложение органики с образованием широкого спектра органических кислот, алкоголей, воды и выделением большого объема газообразных веществ, представленных в основном С02. Образование кислот сопровождается резким снижением значения водородного показателя рН с 7-7,5 до 4-5, а иногда и ниже. Это способствует высокой подвижности тяжелых металлов. Происходит значительное повышение температуры - до 90-100°° С. На контакте с подстилающими грунтами развивается термодиффузия. В связи с образованием кислот и резким снижением рН эту стадию преобразования отходов принято называть кислотной (рис. 1).

Выделение Н20 в процессе химических реакций, осадки, таяние снега, поверхностный сток, а иногда и искусственное орошение отходов для предотвращения самовозгорания, приводят к образованию в теле свалки фильтрата, который поступает в зону аэрации. При наличии в основании отходов водоупора или слабо водопроницаемых грунтов начинается формирование линзы фильтрата. Фильтрат насыщается химическими соединениями, и его минерализация достигает 5-10 г/л.

т о2 шъ и4 н5 ве е7 е8 в9 нга

И"Ш,2В,3НМ I15 А16

Рис.1. Начальная (кислотная) стадия.

Условные обозначения: Цитологические: 1-покровный суглинок, 2-песок, 3-моренный суглинок,4-глина. Гидрогеологические: 5-уровень техногенного водоносного горизонта, 6-уровень грунтовых вод. Прочие: 7-кольматация, 8-легкие углеводороды, 9-тяжелые углеводороды, 10-миграция фильтрата и загрязненных фильтратом вод, 11-дегазация фильтрата (в том числе миграция легких углеводородов), 12-инфильтрация атмосферных осадков, 13-преимущественное направление ветра, 14-поверхностный сток, 15-осадки, 16-испарение.

При наличии в разрезе песчаных грунтов, механизм массопереноса определяется в основном конвекцией. Взаимодействие фильтрата с минеральной составляющей грунта незначительно и основную роль в трансформации химического состава фильтрата играют процессы метаболизма. При залегании в основании свалки глинистых грунтов картина заметно усложняется. Здесь существенную роль играют уже два механизма: поршневое вытеснение и диффузия. При тяжелом составе глин роль последнего механизма возрастает, а при Кф порядка Ю-10 см/с или 10-7 м/сут вся вода переходит в связанное состояние и единственным процессом массопереноса остается диффузия. На нее накладывается множество других процессов, как способствующих, так и препятствующих массопереносу. Сочетание процессов, их интенсивность, а также суммарный результат зависят от минерального состава глинистых грунтов и химического состава фильтрата.

Развитие биохимических и химических процессов вызывают перестройку структуры глинистого фунта, разрушение глинистых частиц, выщелачивание цемента и заполнителя и, как следствие, существенные изменения свойств грунта, в том числе водопроницаемости, в большинстве случаев в сторону ее увеличения. Продолжительность этой стадии может измеряться месяцами, многими годами, а при наличии эффективного дренажа растянуться на все время существования свалки.

С течением времени линза фильтрата разрастается и трансформируется в техногенный водоносный горизонт, оттесняющий аэробную зону в верхнюю и в периферийные части свалки, где продолжаются процессы окисления. В центральной части свалки устанавливается среда с Еь- (2С0-300) мВ и рН 7-7,5, что означает начало второй (основной) стадии ее функционирования. Меняется состав образующихся органических соединений в сторону образования алифатических и ароматических УГВ. При наличии в составе отходов, содержащих активный хлор или бром, последние превращаются в галогенизированные УГВ. Происходит полная смена состава микроорганизмов. Необходимый для жизнедеятельности и окислительных процессов кислород изымается из Н20, нитратов, сульфатов, оксидов Ре, Мп и других богатых кислородом соединений. В толще отходов и подстилающего грунта формируется зона редукции с высоким содержанием нитритов, аммония и Н2Э. Минерализация органических веществ в бескислородной среде сопровождается образованием СН4. Мигрируя в верхние и периферийные слои свалки, метан попадает в зону аэрации, где частично окисляется, превращаясь в С02, и в приземной слой атмосферы выделяется газ смешанного состава, состоящий из метана и углекислого газа (рис. 2).

Рис.2. Метановая стадия.

Соотношение между ними зависит от мощности образовавшегося техногенного водоносного горизонта и перекрывающей его аэробной зоны.

Резко снижается содержание сульфатов, но возрастает содержание азотных соединений (1ЧН4 органический азот) от нескольких мг/л до нескольких тысяч мг/л, что создает особенно сильный и длительный загрязняющий потенциал. Высокая концентрация МН4сказывается на физических свойствах глин, в особенности бентонитов, так как проникая в межслоевые пространства монтмориллонита, он вызывает уплотнение его микроструктуры и уменьшает активную поверхность. СаС03 и РеБ выпадают из фильтрата в осадок, образуя вязкую плотную массу, что приводит к кольма-тации пор и увеличению мощности техногенного водоносного горизонта.

Выделение органических кислот сменяется образованием других органических соединений, включая бензол, этил-бензол, толуол, ксилол, дихлор-метан и др. Интенсивность экзотермических химических реакций уменьшается, температура падает до 40-60°° С.

При резком увеличении значений рН снижается подвижность тяжелых металлов, которые мигрируют, главным образом, в форме комплексных органоминеральных соединений. Накопление тяжелых металлов превращает свалки в своеобразные вторичные полиметаллические месторождения. Одновременно резко снижается загрязнение тяжелыми металлами подземных вод, приуроченных к отложениям, подстилающим свалки. Как показало обследование 284 старых свалок на территории Германии, в 5075 % всех случаев содержание тяжелых металлов в грунтовых водах не превышает установленных значений ПДК. Продолжается минерализация органических соединений, сопровождающаяся образованием газов (преимущественно СН4) и дегазацией раствора с поступление газа в зонудэрации. Заметных изменений структуры грунта и его физических свойств, в том числе водопроницаемости, не происходит. В связи с интенсивным образованием и выделением метана рассмотренная стадия получила в литературе название метановой.

Третья, заключительная стадия функционирования свалок характеризуется стабилизацией и последующим затуханием процессов разложения органического материала. Она начинается с момента перекрытия отходов слоем уплотненного грунта и рекультивации свалки и продолжается в зависимости от мощности отходов 30-50 лет. Образующиеся газообразные вещества, представленные в основном метаном (рис. 3), мигрируют через борта свалки в зону аэрации. Вместе с метаном в толщу грунтов поступают и легколетучие углеводороды и органические соединения ТМ, распространяющиеся

Рис.3.

Стадия затухания. 12

по ней на значительные расстояния. Тело свалки постепенно остывает до среднегодовых температур, характерных для толщ грунтов в соответствующей климатической зоне. Вся толща грунтов находится в это время в анаэробной зоне, и наиболее характерными процессами являются сульфатре-дукция, восстановление нитратов до нитритов и аммония. Эту стадию можно назвать стадией затухания. Преодолев толщу грунтов и претерпев значительные трансформации, фильтрат поступает в подземные воды и распространяется дальше вместе с ними, образуя ореол загрязнения. На первой стадии формирования свалки в водоносной толще сохраняется окислительная среда, на второй и третьей - в месте поступления фильтрата образуется незначительная по площади восстановительная зона, но на небольшом расстоянии она сменяется переходной и окислительной зонами. Происходит сепарация углеводородов, поступающих в грунтовые воды. Легкие УГВ концентрируются на поверхности грунтовых вод, откуда мигрируют в зону аэрации и приземной слой атмосферы, тяжелые - концентрируются в основании водоносного горизонта.

Размеры ореола загрязнения зависят с одной стороны от размеров свалки, объема и состава отходов, с другой - от мощности водоносного горизонта, скорости движения подземных вод, но в абсолютном большинстве случаев не превышают первых сотен метров. Быстрое снижение уровня загрязнения подтверждено многочисленными экспериментами, некоторые из которых рассмотрены в диссертации. По мнению многих исследователей, это явление объясняется биодеградацией. Жизнедеятельность бактерий обеспечивается за счет УГВ и кислорода, поступающего в подземные воды за счет диффузии из зоны аэрации.

Глава 4.

Старые свалки, их воздействие на подземные воды и другие компоненты окружающей среды.

Под "старыми" принято понимать свалки, которые существуют десять и более лет, независимо оттого, продолжают ли они эксплуатироваться в настоящее время или законсервированы. Подобные захоронения ТБО, абсолютное большинство которых было создано без должного учета геолого-гидрогеологических условий и применения защитных мероприятий, оказывают негативное влияние на все компоненты ОС и особенно на подземные воды, используемые для водоснабжения.

Поскольку загрязнение подземных вод имеет изменчивый и в значительной степени случайный характер, общие закономерности могут быть установлены лишь на основе статистической обработки большого объема фактического материала. По российским объектам его в настоящее время недостаточно, поэтому к анализу были привлечены данные по ФРГ и в небольшом объеме США, где этому вопросу уделялось в последние годы большое внимание. В работе проанализированы данные по 240 свалкам, расположенным на севере ФРГ в зоне ледниковой аккумуляции, что позволяет рассматривать их в качестве аналога свалок, находящихся в Московской области. При статистической обработке определялись средние значения, медианы, 75% квантили и максимальные значения. По этим данным были вычислены коэффициенты концентрации, величина эмиссии и др. показатели

загрязнения, о которых говорилось в главе II. Это позволило сделать ряд выводов, из которых особого внимания заслуживают следующие:

• подземные воды на участках размещения старых свалок загрязнены широким спектром неорганических и органических соединений, хотя масштабы загрязнения оказались менее значительными, чем можно было ожидать. В более чем 50 % случаев загрязнение не превышает сотых или десятых долей ПДК и не представляет опасности для жизни и здоровья человека. На этом благополучном фоне выделяются случаи экстремального загрязнения, когда содержание некоторых химических компонентов превышает ПДК в сотни и даже тысячи раз (например, по кадмию 13000, по алюминию 1190) и создает опасность экологической катастрофы. Это указывает на то, что среди захоронений, относимых к муниципальным, встречаются такие, где захоронены отходы промышленных предприятий, медицинских или других учреждений. Такие случаи представляют наибольшую опасность и подлежат выявлению и изучению в первую очередь. Аналогичная картина, несомненно, должна наблюдаться и на территории РФ;

• из неорганических компонентов наиболее широко распространенным загрязнителем является бор, часто встречаются марганец, мышьяк, никель, наиболее редко кадмий и ртуть;

• в подземных водах было установлено наличие 57 органических соединений. Два соединения (тетрахлорэтен и трихлорэтен) были обнаружены в более чем 50 % случаев, 5 соединений в 20-30 % случаев, остальные в 5-20 % случаев. Около 80 % из них относятся к галогенизированным (точнее хлорированным) полициклическим ароматическим УГВ, за ними следуют моноциклические ароматические УГВ. В некоторых старых свалках были установлены очень высокие концентрации отдельных органических соединений: дихлорметан -499000 мкг/л, 1,2-дихлорэтен - 411000 мкг/л, трихлорэтен - 128000 мкг/л. Причины такого высокого загрязнения подземных вод этими соединениями не установлены;

• списки органических соединений, установленных в подземных водах, загрязненных фильтратом из свалок, на территории ФРГ и США по встречаемости и концентрации в основном совпадают (20 из 25 ведущих соединений).

В главе приведены материалы исследований 12 свалок, расположенных в Московской области, которые были выполнены ПГО "Гидроспецге-ология", ГП Геоцентр-Москва, ВСЕГИНГЕО и др. организациями.

При гидрохимическом опробовании определялось в основном содержание неорганических компонентов. Единая методика обследования старых свалок разработана не была, поэтому полученные материалы заметно различаются по содержанию, полноте, достоверности и другим параметрам, что затруднило статистическую обработку. Тем не менее, некоторые выводы о характере загрязнения грунтовых вод, составе и концентрации загрязнителей могут быть сделаны:

• грунтовые воды, а в некоторых случаях и более глубокие водоносные горизонты загрязнены широким спектром тяжелых металлов, из которых преобладают медь, никель, свинец, цинк. Средние значения концентраций редко превышают ПДК, а если превышают, то не более чем в 24 раза;

• загрязнение подземных вод тяжелыми металлами в Московской области соизмеримо или даже несколько ниже, чем в ФРГ;

• характерно высокое содержание железа (17 ПДК), бора (7,2 ПДК), марганца (6,4 ПДК) и лития (6,3 ПДК);

• данные о загрязнении органическими соединениями не представительны и резко отличаются по составу от списков, полученных в США и ФРГ.

Глава 5.

Выбор перспективных участков для размещения полигонов ТБО.

В главе проанализированы действующие в настоящее время законы, нормативные и методические документы, регламентирующие размещение полигонов ТБО на территории РФ, а также работы, выполненные в этом направлении ПГО "Гидроспецгеология" и ПГО "Центргеология".

С геолого-гидрогеологических позиций наиболее благоприятными для размещения полигонов ТБО являются районы, где водоносные горизонты защищены от загрязнения толщами глинистых отложений. В пределах Московской области к ним относятся толщи разновозрастных морен, защищающие водоносные горизонты в четвертичных отложениях, и юрские глины, защищающие водоносные горизонты в отложениях карбона. Глинистые фунты рассмотрены с двух позиций: в качестве водоупора, когда основное значение имеет водопроницаемость за счет конвекции и диффузии и в качестве геохимического барьера, когда основная роль принадлежит сорбции (обменным реакциям).

В работе приведены данные о распространении, строении, составе, физических и фильтрационных свойствах моренных отложений. Рассмотрены результаты изучения водопроницаемости моренных отложений в массиве на Загорской ГАЭС в период ее строительства и эксплуатации. Установлено, что даже мощные толщи моренных суглинков (до 20-35 м) характеризуются высокой водопроницаемостью (Кфв массиве был оценен в 0,02 м/сут) и не могут рассматриваться как надежный водоупор. Оценены также результаты снижения водопроницаемости морены за счет искусственного уплотнения.

Приведена характеристика юрских глин. В связи с отсутствием надежных данных о их водопроницаемости рассмотрены результаты крупномасштабных опытных работ, выполненных в ФРГ в карьере Фелун близ г. Ганновера, на нижнемеловых глинах, которые могут рассматриваться как аналог юрских глин (К 1,7x10-4 м/сут). Было установлено, что слой глин мощностью 1 м был преодолен растворами бромида лития и кадмия за 3,5 года. Учитывая, что полигоны ТБО продолжают действовать, как реактор, в течение 30-50 лет, можно с уверенностью говорить о недостаточной эффективности любого естественного глинистого экрана.

Изложенные материалы послужили основой для районирования Московской области по степени благоприятности природных (в том числе геолого-гидрогеологических) условий для размещения полигонов ТБО. Автор выбрал для примера типичный район, расположенный в центральной части Московской области (к северу от Москвы), где геолого-гидрогеологические условия отличаются сложностью и вто же время хорошо изучены. Разработка

выполнена применительно к масштабу 1: 200 ООО.

Всего автором составлены четыре карты. На первой карте отражены ограничения в размещении полигонов ТБО, которые определены правовыми, нормативными и методическими документами. Учет всех этих факторов заметно сокращает площадь земель, где могут быть размещены полигоны ТБО.

Вторая карта отражает естественную защищенность подземных вод от загрязнения в верхнем водоносном комплексе. В ее основу положена типизация разрезов четвертичных отложений. Всего на рассматриваемой территории выделено 10 районов, из которых только два могут рассматриваться как перспективные для размещения полигонов ТБО (грунтовые воды защищены мощной толщей моренных отложений).

Третья карта отражает дополнительную защищенность от загрязнения водоносных горизонтов карбона за счет юрских глин. Для дочетвер-тичных отложений также составлены геолого-литологические разрезы, по которым можно оценить наличие и мощность юрского водоупора, а также мощность мезозойских водоносных отложений, которые могут служить буфером для проникновения фильтрата в палеозойские водоносные горизонты. Всего на изучаемой территории выделено шесть типов разрезов дочетвертичных отложений, из которых пять можно отнести к перспективным.

Четвертая карта является совмещением двух предыдущих и позволяет вынести окончательное суждение о степени защищенности подземных вод отзагрязнения. Такое районирование потипам разрезов представляется не только еесьма наглядным и предельно простым, но и создает основу для комплексного анализа. Процедура исследований для выбора места размещения полигона ТБО приведена на рис. 4.

Глава 6.

Комплексные исследования старых свалок ТБО.

Представление о том, что далеко не все свалки вызывают опасное загрязнение подземных вод, сложилось на основе анализа материалов исследований, выполненных в СЩА, ФРГ и России в 80-90-х годах. До этого обследование всех свалок осуществлялось по широкой программе с большим объемом гидрохимического опробования (в США по 100 химическим компонентам). Анализ показал, что такое детальное опробование может быть без ущерба для полученных результатов сокращено. Детальные исследования имеют смысл только в тех немногих случаях, когда подземные воды загрязнены настолько сильно, что представляют опасность для здоровья населения и требуют санирования. Но для этого необходимо выявить такие объекты и осуществить предварительные исследования по сокращенной программе. Такую программу разработали специалисты из института \Л/аВо!_и

в ФРГ _______

___Пщаый_лшмрограммБггтта5ва1ШШ1ш^ должен был

дать ответ на главный вопрос: загрязнены ли грунтовые воды в пределах свалки или нет и требуются ли дальнейшие исследования? Для этой цели было предложено использовать три индикатора: содержание бора, как индикатора бытового загрязнения, содержание $Ю4, как индикатора загрязнения строительными отходами, и суммарное содержание адсорбируемых

Рис. 4. Принципиальная схема выявления перспективных участков с целью размещения полигонов захоронения ТБО.

Изыскания для разработки прединвестиционной документации

Сбор, анализ, обработка и обобщение архивных, фондовых и литературных материалов, дешифрирование

космических снимков и аэроснимков, рекогносцировочные обследования

* :

Составление карт Выделение конкурирующих участков и их дополнительное изучение

Выбор наиболее благоприятного участка -▼-

Изыскания для обоснования инвестиций в строительство

Сбор, обработка и анализ опубликованных. Социально-экономические и

архивных и фондовых материалов о ландшафтных, санитарно-эпидемиологические

геолого-гидрогеологических условиях выбранного исследования

участка, состоянии природной среды, привлечение объектов-аналогов, функционирующих в сходных природных условиях

Дешифрирование космических снимков и аэроснимков, рекогносцировочное обследование выбранного участка

Т

Проходка горных выработок *-Т

Исследования почво-грунтов Гидрогеологические исследования

^ Опробование почво-грунтов, поверхностных и подземных вод ^

Лабораторные химико-аналитические Биотестирсвание,

исследования Биоиндикация -¥-

Стационарные наблюдения Материалы обоснования инвестиций

-т-

Экологическая экспертиза материалов обоснований инвестиций Изыскания для разработки проектной документации

галогенизированных углеводородов (ССГУВ), как индикатора загрязнения органическими веществами. Последний индикатор дополнялся газохромато-графическими исследованиями в двух модификациях: с использованием электронно-ионного детектора (ЭИД) и пламенно-ионизирующего детектора (ПИД).

Если на основании скрининга выяснялось, что грунтовые воды загрязнены, вступал в действие второй этап исследований, который должен был дать ответ на вопрос: опасно ли наблюдающееся загрязнение для жизни и здоровья человека? На этом этапе исследования осуществлялись уже по широкой программе с заполнением специальной анкеты, в которую заносились представители двух групп неорганических веществ (согласно номенклатуре, принятой в ЕС): группы О - неорганические вещества с токсическими свойствами: Аэ, Сс1, Сг, N1, и РЬ (в нее были включены также цианиды) и группы С - "нежелательные" неорганические вещества: Си, Ип, Ре, Мп (в

нее были включены также нитраты и аммоний). Устанавливалось также содержание органических соединений, при оценке опасности которых учитывались нормативы, содержащиеся в "Списке опасных субстанций" Агентства по защите окружающей среды США и "Черном списке загрязняющих воду субстанций" ЕС. В заключение этого этапа исследований, на основании анализа полученных данных, все свалки подразделялись на две группы: а) не внушающие опасений и б) внушающие опасения. Во второй группе дополнительно выделялись по степени загрязнения 3 уровня: 1-заметное загрязнение, 2 - сильное загрязнение и 3 - экстремальное загрязнение.

Третий этап - детальные исследования для обоснования проекта санирования осуществлялся лишь на тех объектах, где загрязнение соответствовало 3 уровню.

Проверка предложенной системы была осуществлена на матери-алах обследования свалок Северных Земель Германии и подтвердила ее эффективность.

Разработанная сотрудниками института WaBoLu многоэтапная процедура прогрессивна, позволяет сократить затраты средств, но не лишена и ряда недостатков.

Важнейший недостаток заключается в том, что изыскательские работы начинаются с обследования конкретных свалок, выполнение же площадных исследований с составлением карт не предусматривается. В то же время они могут дать весьма ценную априорную информацию, позволить сделать обоснованный прогноз о возможном загрязнении подземных вод и более целеустремленно спланировать дальнейшие исследования. Не решают задачу оценки загрязнения подземных вод и предложенные авторами индикаторы. Более того, сама идея оценки загрязнения подземных вод в районе свалок с помощью немногих химических индикаторов представляется малоперспективной. В связи с этим, современная наука во всех передовых странах мира занята поиском других методов, которые могли бы решить эту сложную проблему более успешно. Методы должны быть простыми, дешевыми, достаточно надежными и допускающими непосредственное применение в поле.

В работе рассмотрены три таких подхода: а) использование традиционных химико-аналитических методов, б) использование биотестирования и биоиндикации, в) использование сенсорных методов.

Методы аналитической химии в последние годы сталкиваются с немалыми трудностями, которые связаны, главным образом, с непрерывно возрастающим числом загрязняющих веществ, в особенности органического происхождения. Так, из всего потока загрязняющих веществ, специалистам пока удалось установить ПДК лишь для 1625 загрязнителей. Производственные же гидрохимические лаборатории, даже при самом современном оснащении определяют, как правило, немногим более 100 загрязнителей. Задача осложняется также тем, что в настоящее время выявлены загрязн£гели,_2бпада-— ющие столмзысокойтздсиуносгью опасное воздей-

-стше на организм человека даже в самых ничтожных концентрациях. Все это свидетельствует об ограниченных возможностях аналитических методов.

Большие перспективы имеют методы биотестирования и биоиндикации с использованием ряда простейших организмов. На настоящий момент действуют 4 международных и не менее 50 национальных стандартов

по методикам биотестирования, в которых в качестве тест-объектов используются популяции микроорганизмов. В качестве параметров используются такие показатели как биопродуктивность, репродуктивная способность, фотосинтетическая активность и др. Параметры поведения популяций отражаются в сигналах, которые фиксируются с помощью специальныхтехничес-ких средств. Подбор микроорганизмов можно осуществлять с таким расчетом, чтобы фиксировать как общую токсичность (биотестирование), так и присутствие в воде определенных токсических компонентов (биоиндикация). Результаты биотестирования имеют пока не количественный, а лишь качественный характер, но и этого вполне достаточно для предварительных оценок и решения вопроса о необходимости постановки более детальных исследований.

Одно из первых мест среди тест-объектов занимают инфузории (Paramecium caudatum), проявляющие высокую чувствительность к тяжелым металлам и токсикантам органической природы. В СПбГЭТУ на кафедре "Биомедицинской электроники и охраны среды" в течение нескольких лет разрабатываются технические средства для биотестирования с использования инфузорий в качестве тест-объекта и выпущены несколько модификаций соответствующей аппаратуры (Биотестер, Биотестер 2).

В последние годы в качестве тест-объектов стали активно использоваться также сперматозоиды млекопитающих, в частности крупного рогатого скота, и этот метод стал в настоящее время одним из основных. Для оценки эффективности биотестирования были проведены параллельные опыты на крысах с использованием 15 веществ. Коэффициент корреляции оказался равным 0,83, подтвердив эффективность этого метода.

Методы биотестирования отличаются простотой и невысокой стоимостью; не требуют применения сложной и дорогостоящей аппаратуры; позволяют устанавливать токсичность воды за счет таких элементов или соединений, которые химико-аналитическими методами не определяются или для которых не установлено значение ПДК; позволяют оценить токсичность воды при сложном, многокомпонентном загрязнении; реагируют не на валовое содержание того или иного элемента или соединения, а лишь на его токсичные формы. Таким образом, биотестирование можно рассматривать как эффективный метод оценки токсического загрязнения поверхностных и подземных вод.

Параллельно с биотестированием ведутся разработки сенсоров -технических устройств, которые позволяют определять состав и концентрацию загрязняющих веществ в воде без отбора проб и каких-нибудь дополнительных операций. Они представляют собой измерительные системы, состоящие из датчика, фиксирующего те или иные процессы взаимодействия с химическими компонентами, и преобразователя, превращающего полученную информацию в электрические, оптические или звуковые сигналы, которые фиксируются соответствующей аппаратурой и обрабатываются с помощью компьютера. В большинстве сенсоров используют в качестве датчика небольшую (в несколько мм2) пластинку, покрытую с поверхности тем или иным составом. Наиболее перспективна разработка биохимических сенсоров, в которых пластинка покрывается антителами, извлеченными из крови млекопитающих животных, что позволяет имитировать воздействие химических компонентов на живые организмы. Ниже на рис. 5 приведена схема

исследований старых свалок ТБО с использованием биотестирования и

сенсоров.

Рис. 5. Общая схема постановки исследований на старых свалках

ТБО.

I. Получение технического задания и разработка программы исследований.

II. Прединвестиционные региональные исследования.

1. Сбор материалов о старых свалках, расположенных на территории исследований.

2. Рекогносцировочное обследование.

3. Составление карт: а) ограничений размещения свалок ТБО в соответствии с действующим законодательством, нормативными и др. документами, б) типологического районирования территории по естественной защищенности водоносных комплексов от загрязнения.

4. Нанесение на карты всех имеющихся старых свалок с классификацией по степени опасности и необходимости санирования.

III. Исследования для обоснования инвестиций.

1. Сбор дополнительных материалов по отдельным свалкам: а) о промышленных и других предприятиях, тяготевших к свалке в период ее эксплуатации, с данными о выпускаемой продукции, используемом сырье и составе отходов; б) о геолого-гидрогеологических условиях участка размещения свалки; в) имеющихся фактах загрязнения почво-грунтов и подземных вод.

2. Обследование состояния свалок и окружающей территории (изолирующий слой, состав, мощность, ветровая и водная эрозия, состав и другие параметры растительного покрова, наличие дренажных устройств, их состояние и пр.).

3. Выбор мест для размещения скважин и выполнение буровых работ. Скважины задаются в пределах свалки, выше и ниже по потоку фунтовых вод. Число скважин зависит от размеров свалки, но не должно быть менее 3. Глубина скважин определяется геолого-гидрогеологическими условиями участка. Выбор метода бурения, диаметр скважин и пр. определяется действующими нормативными документами.

4. Опробование почво-грунтов и подземных вод с использованием биотестирования, сенсорных и химико-аналитических методов (скрининг).

5. Анализ полученных данных с заключением о характере и степени токсичности почво-грунтов и подземных вод. Принятие решения о необходимости дальнейших исследований.

IV. Детальные исследования.

1. Размещение ибурение^опшшаапьыых-екважин:--

-2т-Гидрахимическое опробование.

3. Производство лабораторных исследований с использованием методов аналитической химии.

V. Исследования для обоснования проекта по санированию свалки.

Заключение.

1. Одним из опасных источников загрязнения ОС являются свалки ТБО, в которых в настоящее время аккумулированы миллионы тонн различных веществ и материалов. Особую опасность представляют старые свалки, которые создавались без должного учета природных, в том числе геолого-гидрогеологических условий. Кроме того, в них сбрасывались не только бытовые отходы, но также отходы различных производственных предприятий, медицинских и иных учреждений, содержащие токсичные вещества.

2. В настоящее время-в передовых странах Запада осуществляется массовое обследование старых свалок с тем, чтобы ранжировать их по степени опасности и составить план последовательной их ликвидации или санирования. Такую работу предстоит выполнить и в РФ, для чего необходимо разработать эффективную и экономичную методику обследования свалок и оценки степени их опасности для ОС и населения. Разработка методики требует в свою очередь соответствующего научного обоснования.

3. Система используемых в современной практике показателей для оценки загрязнения подземных вод, основанная на использовании критерия ПДК, несовершенна и должна сопровождаться анализом и учетом таких факторов как длительность воздействия, форма в которой представлены токсичные компоненты, возможность кумулятивного эффекта и др.

4. Свалка ТБО, аккумулирующая разнообразные неорганические и органические материалы представляет собой своеобразный химический реактор, в котором развивается широкий комплекс химических и биохимических процессов, контролируемых изменяющимися во времени физическими параметрами (ЕЬ, рН, Т°С). Выделяются три этапа в развитии свалок, различающиеся по всей сумме показателей, в том числе по составу элементов и соединений, поступающих в толщу грунтов и подземные воды. В работе приведена характеристика выделенных этапов и показано их значение для правильной трактовки процессов загрязнения.

5. Процессы, происходящие в свалке, на путях миграции фильтрата и в пределах горизонта грунтовых вод отличаются многообразием и развиваются в сложном взаимодействии при участии множества различных по своей природе факторов. В работе все эти процессы рассмотрены в единой системе, что создает основу для оценок и прогнозов.

6. Анализ большого объема фактического материала по изучению загрязнения подземных вод на участках размещения старых свалок в РФ и северных землях Германии свидетельствует о том, что, по крайней мере, в 50 % всех случаев загрязнение грунтовых вод не превышает ПДК и не представляет опасности для жизни и здоровья человека. Такое загрязнение не требует применения санирующих мероприятий. На этом благополучном фоне фикси-

руются случаи, когда загрязнение превышает ПДК в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз, создавая опасность экологической катастрофы. Полученные данные создают основу для ранжирования свалок по степени опасности и разработки планов по последовательному осуществлению санирующих мероприятий.

7. Попадая в грунтовые воды, загрязнение распространяется по направлению движения потока, но как свидетельствуют специально поставленные эксперименты лишь на сравнительно небольшие расстояния, измеряемые, как правило, первыми сотнями метров. Разбавлением и растеканием такое положение объяснить нельзя. Дополнительным фактором, по-видимому, является биодеградация.

8. При размещении полигонов ТБО должны быть осуществлены региональные исследования с составлением комплекта карт. В развитие работ, выполненных в этом направлении сотрудниками ГГП Гидроспецгеология, автор предлагает составлять четыре карты: 1) карту ограничений размещения полигонов ТБО, определенных правовыми, нормативными и методическими документами, 2) карту защищенности подземных вод первого водоносного комплекса за счет толщ моренных суглинков, 3) карту защищенности подземных вод второго водоносного комплекса за счет юрских глин, 4) карту, совмещающую две предыдущие и позволяющую вынести окончательное суждение о степени естественной защищенности подземных вод. Районирование осуществляется по типам разрезов, что обеспечивает наглядность и дает информацию, необходимую для комплексного анализа.

9. В работе рассмотрена многоэтапная процедура исследования старых свалок с привлечением картирования и использованием методов аналитической химии, биотестирования и биоиндикации, а также сенсорных методов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Формирование оптимальной методики выявления перспективных территорий с целью создания полигонов захоронения твердых бытовых отходов //тр. II Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы" Тула. 1998.

2. Основы рациональной методики выявления перспективных территорий для размещения полигонов захоронения твердых бытовых отходов // Геология и разведка. 1999. № 1.

3. Некоторые аспекты инженерно-геологического изучения полигонов ТКО

-//^Рг4\^еждународнгатгонф5ршЩ4~"Новые идеи в науках о Земле"

Москва. 1999.

4. Трансформация процессов преобразования твердых бытовых отходов // Геология и разведка. 2000. № 1.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Дементьев, Сергей Юрьевич

Введение.

Глава 1. Охрана окружающей среды и проблема отходов.

Глава 2. Система показателей» используемых при оценке влияния. 27 полигонов (свалок) ТБО на компоненты окружающей среды.

2.1 Основные показатели загрязнения подземных вод.

2.1.1 Показатели, основанные на определении наличия и концентрации в 29 подземных водах вредных химических веществ.

2.1.2 Показатели-индикаторы.

2.2 Показатели загрязнения почво-грунтов.

2.2.1 Тяжелые металлы и мышьяк.

2.2.2 Диоксины.

2.2.3 Бенз(а)пирен.

Глава 3. Свалки и полигоны отходов - источник загрязнения 60 окружающей среды.

3.1 Загрязнение подземных вод.

3.2 Загрязнение почво-грунтов.

3.3 Трансформация процессов во времени.

Глава 4. Старые свалки, их воздействие на подземные воды и другие 99 компоненты окружающей среды.

4.1 Старые свалки в странах Западной Европы и США.

4.2 Старые свалки в Московской области.

Глава 5. Выбор перспективных участков для размещения полигонов \Ъ% ТБО,

Глава 6. Комплексные исследования старых свалок ТБО.

6.1 Аналитические химические методы.

6.2 Биотестирование и биоиндикация.

6.3 Сенсорные методы. 189 Заключение. 194 Список иллюстраций. 198 Список литературы.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Основные проблемы инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического изучения участков размещения полигонов захоронения ТБО и пути их решения"

Актуальность работы. Ключевое значение для решения проблем экологии в современную эпох)' имеет декларация о развитии и окружающей среде (ОС), принятая на «глобальном саммите» в Рио-де-Жанейро в 1992 г., в котором участвовали 178 стран и 115 глав государств. На саммите была принята «глобальная хартия» (Earth Charter), рассчитанная на XXI век, в которой нашли отражение принципиальные положения, составившие позднее основу концепции «устойчивого развития».

Существенную роль играет также резолюции XXI Конференции Объединенных Наций по ОС и Развитию (United Nations Conference on Environment and Development, 1993 - UNSED) в которой была отмечена тесная связь между экономикой и ОС и подчеркнуто, что только совместный учет этих двух аспектов может служить основой для устойчивого развития. Указанные документы не только вывели проблему загрязнения ОС на международный уровень, но и показали, что она создает реальную угрозу для самого существования современной цивилизации.

Одним из опасных источников загрязнения окружающей среды, оказывающих неблагоприятное воздействие на жизнь и здоровье человека, являются места захоронения и складирования отходов производства и потребления, объем которых измеряется в настоящее время миллиардами тонн. Существенное место среди них занимают свалки твердых бытовых отходов (ТБО), подразделяющиеся на современные (полигоны) и старые. Последние представляют особую опасность, так как большинство из них создавалось без учета ландшафтных и геолого-гидрогеологических условий, чаще всего в отслуживших свой срок песчаных карьерах. Кроме того, при отсутствии надлежащего контроля, в них нередко сбрасывались отходы промышленных предприятий, медицинских и других учреждений. В связи с этим загрязнение компонентов ОС, вызываемое такими свалками, весьма различно по составу и степени токсичности. Наряду со свалками, характеризующимися слабым загрязнением, не представляющим особой опасности, встречаются свалки, где содержание токсичных компонентов в подземных водах, почво-грунтах, приповерхностной атмосфере превышает установленные нормы в десятки и сотни раз и создает опасность чрезвычайной экологической ситуации или экологического бедствия.

В настоящее время во всех передовых странах Запада осуществляется массовое обследование старых свалок с целью их ранжирования по степени опасности и ликвидации или санирования тех из них, которые представляют наибольшую угрозу. В ближайшее десятилетие аналогичные работы предполагается осуществить и в России (в небольшом объеме они уже выполнены). Для этого должна быть разработана экономичная и эффективная методика обследования свалок, выявлен характер и степень загрязнения подземных вод и почво-грунтов, как наиболее уязвимых компонентов ОС, выполнена оценка степени опасности загрязнения для жизни и здоровья человека. Методика требует научного обоснования по большому числу позиций с учетом опыта, накопленного в этой области в Российской Федерации и за рубежом. Определенные проблемы возникают и при выборе мест размещения новых полигонов ТБО, где также должно быть обеспечено минимальное воздействие на ОС и здоровье населения. Этим вопросам и посвящена диссертация.

Разработки выполнены на примере Московской области, которая является одной из ведущих в стране по экономическому потенциалу, типична по природным условиям для большей части Европейской территории России и характеризуется значительной антропогенной нагрузкой на ОС, в том числе и за счет загрязнения многочисленными свалками. Выполненные разработки могут быть распространены и на другие регионы Российской Федерации.

Цель работы заключается в разработке научного обоснования методики выбора мест размещения полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и изучения старых свалок и их воздействия на ОС и здоровье населения с целью решения вопроса о необходимости осуществления мероприятий по санированию. Основные задачи:

1. Критический анализ показателей, используемых в современной практике для оценки загрязнения почво-грунтов и подземных вод.

2. Рассмотрение в единой системе процессов, происходящих на путях миграции фильтрата.

3. Анализ и обобщение опыта изучения токсического и других видов загрязнения почво-грунтов и подземных вод в России и зарубежных странах (Германия, США, Голландия).

4. Разработка содержания комплекта карт, отражающих ограничения, налагаемые на размещение полигонов ТБО правовыми, нормативными и другими документами, а также типологическое районирование территории по степени защищенности подземных вод от загрязнения (в развитие работ, выполненных сотрудниками ГГП Гидро-спецгеология).

5. Разработка схемы исследований для выбора мест размещения полигонов ТБО. (

6. Рассмотрение возможностей и ограничений использования для оценки токсичности подземных вод методов аналитической химии, биотестирования и сенсорных методов.

7. Разработка процедуры изучения и оценки загрязнения подземных вод на участках размещения старых свалок, включающей региональные исследования (картографирование) и многоэтапное обследование конкретных свалок с применением методов аналитической химии и биотестирования.

Исходный материал. Проанализирован и обобщен фактический материал по свалкам ТБО, расположенным в Московской области, а также в зарубежных странах - США и Германии. Особенно полезными оказались немецкие материалы, поскольку большинство свалок, имеющихся в этой стране, расположено в области континентального оледенения, т.е. в геолого-гидрогеологических условиях весьма близких к условиям Московской области.

Научная новизна работы:

1. Существенно расширены, уточнены и рассмотрены в единой системе процессы, происходящие в свалках ТБО и на путях миграции образующегося фильтрата (в самом фильтрате, при его взаимодействии с вмещающими грунтами, в пределах горизонта подземных вод).

2. Впервые свалка ТБО рассматривается как химический реактор с изменяющимися во времени физическими параметрами, контролирующими направление, характер и интенсивность химических реакций и определяющими состав газов, загрязняющих воздушную среду, и фильтрата, поступающего в почво-грунты и подземные воды.

3. Показано, что загрязнение грунтов легкими УГВ и летучими органическими соединениями токсичных тяжелых металлов происходит не только через воздушную среду, но также на путях миграции фильтрата и при испарении с поверхности грунтовых вод.

Основные защищаемые положения:

1. Применяемая система показателей загрязнения грунтов и подземных вод. основанная на использовании критерия ПДК и фоновых концентраций несовершенна и требует обязательного учета времени воздействия на организм человека, форм, в которых представлены токсичные компоненты, возможного кумулятивного эффекта и дополнения показателями загрязнения, получаемыми с помощью биотестирования и сенсорных методов.

2. Свалка ТБО представляет собой химический реактор с изменяющимися во времени физическими параметрами, контролирующими направление и характер химических реакций и определяющими состав и интенсивность загрязнения воздушной среды, почво-грунтов и подземных вод. Установлены и описаны три главных этапа трансформации свалки во времени, различающиеся по всей сумме характеристик.

3. Рассмотрение в единой системе процессов, происходящих в теле свалки и на путях миграции фильтрата, создает научную основу для разработки рациональной методики исследований, составления прогнозов, а также рекомендаций по применению защитных мероприятий.

4. Предложенные методы картографирования ограничений, налагаемых на размещение полигонов законодательством и нормативными документами, а также районирования территорий по степени защищенности подземных вод от загрязнения на основе типизации разрезов, позволяют решать вопросы о наиболее безопасном размещении полигонов ТБО.

5. Разработанные принципы многоэтапных исследований с привлечением картографирования и использованием методов аналитической химии, биотестирования и сенсорных методов обеспечивают эффективное и экономичное массовое обследование старых свалок и их ранжирование по степени опасности и необходимости применения санирующих мероприятий.

Практическая значимость работы. Результаты исследований были использованы при разработке проекта Территориальных строительных норм «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов по захоронению твердых бытовых отходов на территории Московской области». Документ должен быть утвержден и издан в течение 2000 года.

Публикации. По теме диссертации опубликованы тезисы докладов и две статьи.

Апробация работы. Отдельные вопросы работы докладывались и обсуждались на II Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы» (Тула. 1998) и на IV Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1999). Содержание диссертации было обсуждено на совместном заседании кафедр Гидрогеологии и Инженерной геологии МГГА.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 211 страниц, включая 20 рисунков и 44 таблицы. Список использованной литературы содержит 176 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Дементьев, Сергей Юрьевич

Заключение.

Одним из опасных источников загрязнения окружающей среды, вредно влияющих на жизнь и здоровье человека, являются свалки отходов производства и потребления, в которых в настоящее время аккумулированы миллионы тонн различных веществ и материалов. Существенное место среди них занимают свалки твердых бытовых отходов («муниципальных» по иностранной терминологии). По литературным данным [68] таких свалок на территории Московской области более 200, но в действительности их значительно больше, так как многие свалки не санкционированы и ни в каких реестрах не числятся. Особую опасность в отношении загрязнения окружающей среды представляют старые свалки, которые создавались без должного учета природных, в том числе геолого-гидрогеологических условий, в большинстве случаев в отслуживший свой срок карьерах. Кроме того, при отсутствии контроля в них сбрасывались не только собственно бытовые отходы, но также отходы различных производственных предприятий, медицинских и иных учреждений, содержащие токсичные компоненты.

В настоящее время в передовых странах Запада осуществляется массовое обследование старых захоронений с тем, чтобы ранжировать их по степени опасности и составить план последовательной их ликвидации или санирования. Такую работу предстоит выполнить и в Российской Федерации (частично она уже выполнена), а для этого необходимо разработать эффективную и экономичную методику обследования свалок и оценки степени их опасности для ОС и населения. Разработка методики требует в свою очередь научного обоснования и решения многочисленных проблем различной сложности. Этому и посвящена настоящая диссертация.

Автор выбрал в качестве объекта исследований Московскую область, которая относится к наиболее развитым в экономическом отношении регионам Российской Федерации и характеризуется значительной нарушенностью природной среды, в том числе за счет многочисленных свалок. Кроме того, Московская область типична для зоны ледниковой аккумуляции, в пределах которой находиться большая часть Европейской России. В связи с этим сделанные выводы и рекомендации могут быть распространены на обширную территорию, занимающую ведущее положение в экономике страны. Поскольку в России в работах по обследованию свалок сделаны лишь первые шаги, автор широко использовал в диссертации обширный фактический материал, полученный в зарубежных странах и в первую очередь в Германии, где обследовано более 450 свалок, большинство которых находится в зоне ледниковой аккумуляции, т. е. в геолого-гидрогеологических условиях весьма близких к условиям Московской области. Это дает основание рассматривать их как достаточно надежные аналоги.

В своей работе автор уделил основное внимание загрязнению почво-грунтов и подземных вод, т. е. вопросам, относящимся к компетенции инженера-геолога и гидрогеолога и лишь попутно, в меру необходимости, затронул вопросы загрязнения других компонентов окружающей среды, хотя они, несомненно, заслуживают не меньшего внимания.

При изучении загрязнения почво-грунтов и подземных вод и в России, и в зарубежных странах используется система показателей и специальных оценочных критериев. Для того, чтобы не усложнять дальнейшее изложения ссылками и пояснениями, автор вынес этот вопрос в отдельную главу и привлек к рассмотрению не только отечественные материалы, но и материалы по США, Германии и Голландии, где в этой области в последние годы выполнены специальные разработки. Анализ имеющихся материалов показал, что система применяемых в современной практике показателей, основанная в основном на использовании критерия ПДК, несовершенна и должна сопровождаться анализом и учетом таких факторов как длительность воздействия, форма в который представлены токсические компоненты, возможность синергетического эффекта и др.

Свалка твердых бытовых отходов, аккумулирующая разнообразные неорганические и органические материалы представляет собой своеобразный химический реактор, в котором развивается широкий комплекс химических и биохимических процессов, контролируемых изменяющимися во времени физическими параметрами (ЕЬ, рН, Т°С). Отчетливо выделяются три этапа в развитии свалок, заметно различающиеся по всей сумме показателей, в том числе по составу элементов и соединений, поступающих в толщу грунтов и подземные воды. В работе приведена характеристика выделенных этапов и показано их значение для правильной трактовки процессов загрязнения.

Процессы, происходящие в свалке, на путях миграции фильтрата и в пределах горизонта грунтовых вод отличаются многообразием и развиваются в сложном взаимодействии при участии множества различных по своей природе факторов. Процессы носят случайный характер и характеризуются параметрами, которые либо не поддаются определению, либо могут быть определены лишь с большой погрешностью. В связи с этим составляемые в настоящее время математические геомиграционные модели не дают (и не могут дать) удовлетворительных результатов. Однако это не исключает рассмотрения с позиций инженерной геологии и гидрогеологии всех этих процессов и факторов в единой системной постановке, что и сделано в представленной работе. Составленный обзор дает достаточно ясное представление о характере процессов, их значении и создает необходимую основу для умозаключений, качественных оценок и прогнозов.

Анализ большого объема фактического материала по изучению загрязнения подземных вод на участках размещения старых свалок в северных землях Германии свидетельствует о том, что по крайней мере в 50 % всех случаев загрязнение грунтовых вод не превышает сотых или десятых долей ПДК и не представляет опасности для жизни и здоровья человека. Такое загрязнение не требует применения санирующих мероприятий. На этом благополучном фоне фиксируются случаи, когда загрязнение превышает ПДК в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз, создавая опасность экологической катастрофы. Полученные данные создают основу для ранжирования свалок по степени опасности и разработки планов по последовательному осуществлению санирующих мероприятий. В составе загрязняющих компонентов присутствуют с разной встречаемостью все токсичные тяжелые металлы. Чаще всего присутствует бор (85,7% всех случаев) и мышьяк (61,3 %), наиболее редко ртуть (14,9 %) и кадмий (14,6 %). Из органических соединений доминируют хлорированные полициклические ароматические углеводороды. Сходные результаты получены при обследовании свалок на территории Московской области.

Попадая в грунтовые воды, загрязнение распространяется по направлению движения потока, но как свидетельствуют наблюдения и специально поставленные эксперименты лишь на сравнительно небольшие расстояния, измеряемые первыми сотнями метров и в редких случаях первыми километрами. Разбавлением и растеканием такое положение объяснить нельзя. По-видимому, здесь действует дополнительно какой-то пока не выявленный и не изученный фактор. По мнению большинства специалистов, таким фактором является биодеградация.

Во избежание негативных последствий, о которых писалось выше, размещение новых полигонов должно осуществляться с одной стороны в соответствии с действующим законодательством и нормативными документами, с другой - с учетом местных геолого-гидрогеологических условий. Для успешного решения этих задач должны быть осуществлены региональные исследования: дешифрирование космических снимков и аэроснимков, рекогносцировочные обследования и разработка комплекта карт. В развитие работ, выполненных в этом направлении сотрудниками ГП Гидроспецгеология, автор предложил составлять четыре карты: а) карту ограничений размещения полигонов ТБО, определенных правовыми и нормативными документами, б) карту защищенности

197 грунтовых вод в первом водоносном комплексе за счет толщ моренных суглинков, в) карту защищенности подземных вод во втором водоносном комплексе за счет юрских глин и г) карту, совмещающую две предыдущие и позволяющую вынести окончательное суждение о степени естественной защищенности подземных вод. Районирование осуществляется по типам разрезов, что обеспечивает наглядность и дает информацию, необходимую для комплексного анализа.

Наиболее сложной задачей является изучение старых свалок с оценкой характера, состава и степени опасности создаваемого ими загрязнения почво-грунтов и грунтовых вод. В США, Германии, Франции и других странах обследование старых свалок первоначально выполнялось по широкой программе с применением большого объема гидрохимического опробования. Однако анализ результатов исследований показал, что такое опробование дорого и неэффективно и может быть существенно сокращено без потери нужной информации. На этой основе была разработана трехэтапная процедура обследования, наиболее успешно реализованная институтом \УаВоЬи в Германии. На первом этапе решается вопрос о том загрязнены ли подземные воды токсическими компонентами или нет, на втором оценивается степень опасности загрязнения и на третьем выполняются исследования для обоснования санирования. Авторы предложили использовать для выявления токсического загрязнения химические индикаторы, но анализ свидетельствует о том, что они не эффективны. Заключительная часть диссертация посвящена разработке рациональной методики обследования старых свалок и их воздействия на почво-грунты и подземные воды по такой трехэтапной процедуре с привлечением региональных исследований (картографирование) и использованием методов аналитической химии, биотестирования, сенсорных методов.

Библиография Диссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Дементьев, Сергей Юрьевич, Москва

1. Абдурахманов Р.Ф. Геохимия экотоксикантов в подземных водах урбанизированных территорий /./ Геохимия. 1997. № 6, с. 630-636.

2. Аванесова Д.А. Углеводороды. Е.: Изд-во Ереванского Университета,1983.

3. Авессаломова И.А. Геохимические показатели при изучении ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1987.

4. Агошкова Е.Б. Синергетика и системная парадигма XX века. Московский синергетический форум 1996. Материалы форума. М., 1996.

5. Арье А.Г. Физические основы фильтрации подземных вод. М.: Недра,1984.

6. Бабак В.В. Критерии устойчивости геологической среды к воздействию полигонов твердых бытовых отходов. Материалы XV научной конференции молодых ученых геологического факультета МГУ. М.: МГУ, 1988.

7. Бабак В.В. Геоэкология полигонов твердых бытовых отходов Московского региона. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М.: МГУ, 1991.

8. Бакаева Е.Н., Хоружая Т.А., Бакаев А.А. Оценка токсичности почв в районах различных захоронений. В сб. Инфузории в биотестировании. Тезисы докладов международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург: Архив ветеринарных наук, 1998, с. 184.

9. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1985.13