Рекультивация полигонов захоронения твердых бытовых отходов продуктами механо-биологической переработки отходов

Жилинская, Яна Андреевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Рекультивация полигонов захоронения твердых бытовых отходов продуктами механо-биологической переработки отходов
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Рекультивация полигонов захоронения твердых бытовых отходов продуктами механо-биологической переработки отходов"

На правах рукописи /

004600875

ЖИЛИНСКАЯ Яна Андреевна

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ПРОДУКТАМИ МЕХАНО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

03.00.16 - «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДПР 2010

Пермь 2010

004600875

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор Вайсман Яков Иосифович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Басов Вадим Наумович

доктор технических наук, профессор Чертес Константин Львович

Ведущая организация:

ОАО «Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова»

Защита состоится 26 апреля 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.07 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Пермском государственном техническом университете, по адресу: 614990 г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд.423.

Тел. (342) 219-82-62,239-14-82, Факс (342) 239-17-72, e-mail: usu@pstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан 24 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор \Zlffl~~c~i Рудакова Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие системы обращения с отходами требует рекультивации объектов размещения отходов, прекративших прием или не отвечающих современным экологическим и технологическим требованиям, и оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.

Основной экологической и экономической проблемой при рекультивации является дефицит почвогрунтовых ресурсов для создания рекультиващюнных покрытий, а использование значительных объемов этих ресурсов создает высокую антропогенную нагрузку. Для рекультивации 1 га полигона требуется до 10 тыс. м3 почвенно-растительного грунта, что соответствует нарушению 5 га природных земель, т.е. до 5 раз может превышать площадь рекультивируемого объекта.

П. Бруннером, Я. Вайсманом, К. Чертесом, Д. Быковым и др., а также проведенными нами предварительными исследованиями установлено, что с целью экономии природных ресурсов при проведении рекультивационных работ, почва может быть заменена продуктами механо-биологической переработки (МБП) отходов производства и потребления. Возможность замены первичных ресурсов вторичными, полученными путем переработки отходов, определяется биологическим потенциалом отходов, подвергающихся МБП. Типичными отходами производства и потребления, обладающими ресурсным (в частности, биологическим) потенциалом, являются твердые нефтесодержащие отходы (ТНСО) и ТБО, ежегодные объемы образования которых в РФ составляют до 700 тыс. тонн и до 30 млн. тонн соответственно. На территории Пермского края ежегодное образование отходов составляет 1,2 млн. тонн ТБО (в т.ч. 400 тыс. тонн биоразлагаемой фракции) и ориентировочно 30 тыс. тонн ТНСО (в т.ч. порядка 20 тыс. тонн нефтезагрязненного грунта).

Практическое использование технологии МБП в РФ ограничено низким ресурсным потенциалом продуктов переработки. Отсутствие спроса на продукты МБП практически формирует поток вторичных отходов, обращение с которыми создает высокую антропогенную нагрузку. Использование продуктов МБП рассмотрено в трудах П. Лехнера, А. Мирного, Л. Рудаковой, В. Басова, однако в них отсутствует научное обоснование санитарных и экологических критериев использования продуктов МБП в народном хозяйстве и, в частности, для рекультивации нарушенных земель. Таким образом, обоснование научных подходов к снижению антропогенной нагрузки при использовании ресурсного потенциала продуктов МБП для рекультивации нарушенных земель и полигонов ТБО, является актуальной экологической проблемой.

Цель работы: научное обоснование снижения антропогенной нагрузки при рекультивации полигонов ТБО за счет использования продуктов механо-биологической переработки отходов производства и потребления.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать формирование антропогенной нагрузки при рекультивации полигонов ТБО.

2. Усовершенствовать методику исследования морфологического состава

ТБО и исследовать состав и свойства ТБО для оценки ресурсного потенциала отходов.

3. Обосновать направления и разработать критерии использования продуктов МБП отходов в народном хозяйстве, исследовать физико-химические и санитарно-гигиенические свойства продуктов МБП отходов.

4. Разработать технологию рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов МБП отходов и провести эколого-экономическую оценку реализации разработанной технологии.

Объект исследования. Продукты механо-биологической переработки ТБО и ТНСО.

Методы исследований: методы анализа, синтеза и обобщения, аналитические методы физико-химического анализа, метод статистической обработки данных, анализ материальных потоков, методы математической статистики, метод экспертных оценок.

Научная новизна

• Усовершенствована методика определения морфологического состава ТБО, позволяющая учесть дополнительные компоненты отходов с целью оценки их ресурсного потенциала.

• Определены закономерности изменения биологического потенциала ТБО в зависимости от фракционного состава для смешанных ТБО и для ТБО, из которых извлечены компоненты вторсырья, построена математическая модель полученных зависимостей.

• Обоснованы экологические и технологические критерии безопасного использоваши продуктов МБП ТБО и ТНСО в следующих направлениях: строительное, сельскохозяйственное, техническая и биологическая рекультивация. Проведены физико-химические исследования продуктов МБП ТНСО и доказана экологическая безопасность их применения.

Практическая значимость

Разработаны технические условия на компост, вырабатываемый из отходов производства и потребления (ТУ 990000-003-02069065-2007), утвержденные ФГУП «Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова», технические условия на органо-минеральный композиционный строительный материал (ТУ 571190-002-55059747-2008), утвержденные ООО «Природа-Пермь», технические условия на материал рекультивационный с использованием продуктов переработки буровых шламов и нефтезагрязненных грунтов (ТУ 571270-00355059747-2008), утвержденные ООО «Природа-Пермь», разработан технологический регламент проведения работ по переработке бурового шлама и твердых нефтесодержащих отходов с использованием микробиологической ремедиации, и применению полученных материалов, утвержденный ООО «Природа-Пермь». Результаты исследований использованы при разработке «Концепции развития ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» в области обращения с твердыми нефтесодержащими отходами», при разработке «Концепции обращения с отходами производства и потребления на территории Пермского края на 20082012 годы», при разработке проектно-сметной документации для строительства и рекультивации объектов обезвреживания отходов производства и потребления, в

учебном процессе подготовки специалистов по направлению 280200.62 «Защита окружающей среды» в курсах лекций по дисциплинам «Экология», «Техника защиты окружающей среды», «Проектирование полигонов захоронения отходов».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• При рекультивации полигонов захоронения ТБО формируется значительная антропогенная нагрузка вследствие потребности в значительном объеме земельных ресурсов для создания потенциально плодородного рекультивационного покрытия.

• Использование продуктов МБП отходов возможно в строительном, рекультивационном и сельскохозяйственном направлениях в соответствии с обоснованными технологическими, токсикологическими и санитарными критериями.

• Данные по морфологическому составу ТБО позволяют определить закономерности изменения их биологического потенциала в зависимости от фракционного состава.

• Технология рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов МБП отходов позволяет снизить антропогенную нагрузку и повысить экономическую эффективность использования биологического потенциала отходов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: IV и V Международных конгрессах по управлению отходами «ВейстТек» (г. Москва 2005, 2007 г.), VI Международном форуме по управлению отходами и природоохранным технологиям «Вэйстэк-2009» (г. Москва, 2009 г.), IV, V, Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс» (г. Пермь, 2005, 2006 гг.), X и XIV Всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и пути решения» (г. Пермь, 2005, 2006 гг.), Международной научно-технической конференции к 30-летию автодорожного факультета ПГТУ «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (г. Пермь, 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, 5 приложений, список литературы включает 129 источников, в том числе 27 иностранных. Текст изложен на 138 страницах, иллюстрирован 26 рисунками и включает 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы основная цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость, изложены выносимые на защиту основные положения, приведена краткал характеристика работы.

В первой главе дан анализ состояния проблемы формирования антропогенной нагрузки при рекультивации полигонов ТБО.

Проведен анализ масштабов и потоков ресурсов при рекультивации объектов захоронения ТБО на примере Пермского края. Определена

составляющая экологического ущерба, возникающая за счет использования природных почво-грунтовых материалов для рекультивации полигонов. Для Пермского края эта величина составляет 202,72 млн. руб. Обоснована перспективность замещения первичных почвенных ресурсов вторичными, полученными на основе отходов производства и потребления. Получение таких материалов возможно путем МБП отходов, направленной на повышение и использование ресурсного и, в частности, биологического потенциала отходов. Установлено, что одним из основных факторов, сдерживающих развитие МБП, является отсутствие норм, методических подходов, технологических решений и, как следствие, опыта подготовки, использования и контроля применения продуктов данной технологии.

Установлено, что продукты МБП ТНСО, оцениваемые по совокупности санитарных и экологических критериев, как правило, являются вторичными отходами, которые при отсутствии возможности их использования размещаются в окружающей среде, формируя дополнительную антропогенную нагрузку. Отсутствует научно обоснованная экологическая оценка безопасности получаемых продуктов.

Реализация этапа биостабилизации МБП отходов, требует значительных площадей. Целесообразно совместить дозревание (биостабилизацию) полупродуктов МБП с формированием почвенно-растнтельного слоя непосредственно на поверхности рекультивируемых объектов. В связи с этим, оценка и реализация биологического потенциала отходов и продуктов МБП при рекультивации полигонов захоронения отходов является актуальной проблемой.

Вторая глава посвящена исследованию состава и свойств ТБО, в том числе их биологического потенциала, представляющего собой совокупность органических веществ, содержащихся в отходах, способных в результате биохимических трансформаций формировать гумусоподобные соединения.

Возможность использования биологического потенциала ТБО зависит от их морфологического состава и в частности доли компонентов, подвергающихся биодеструкции (бумага, пищевые, растительные и древесные отходы). Существующие данные о морфологическом составе ТБО не позволяют оценить возможности использования их ресурсного потенциала в современных технологиях. Усовершенствована методика определения морфологического состава ТБО, позволяющая определять дополнительные значащие компоненты в их составе. Проведено исследование морфологического состава ТБО г. Перми и г. Екатеринбурга, проанализированы состав и свойства ТБО г. Москвы с целью актуализации данных о морфологическом составе, отражающих изменение структуры потребления населения в РФ. Дополнительными значащими компонентами в составе ТБО являются отходы на основе полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, ПЭТ тара (по цветам), тетрапак, электронный шрот, подгузники. Анализ морфологического состава ТБО показывает, что за десятилетний период (на примере г. Перми) произошли следующие изменения: содержание пищевых отходов снизилось в 1,2 раза, металлов - в 1,7 раза, увеличилось содержание полимеров в 2,5 раза.

Установлена (на примере ТБО г. Москвы) закономерность изменения

биологического потенциала ТБО в зависимости от их фракционного состава, которая описывается кусочно-линейной функцией (рис.1, 2). Оценка проводилась по двум вариантам: вариант 1 - общий поток ТБО, содержащий вторичное сырье; вариант 2 - поток ТБО после извлечения компонентов вторичного сырья (бумаги) (табл.1).

Таблица 1. Значение биологического потенциала (БП) _для различных фракций ТБО г. Москвы _

Размер фракции (К), см >25 25-15 15-8 8-5 5-1,5 <1,5

БП, % масс, (вариант 1) 38,36 16,92 13,45 22,16 30,93 20,23

БП, % масс, (вариант 2) 3,84 4,94 8,24 18,37 30,93 20,23

Получена математическая модель, описывающая зависимости изменения биологического потенциала ТБО от их фракционного состава. Для различного размера фракций ТБО функция задается разными формулами. Для варианта 1 зависимость биологического потенциала ТБО от фракционного состава описывается системой уравнений 1, для варианта 2 - системой уравнений 2.

(5,63х К + 4,85, при Я <4,5 БП = 137,66 -1,67 х Я, при 4,5 < Я < 15,56 [ 0,86 х Я -1,60, при Я >15,56

Г5,63 х Я + 4,85, при Я < 4,4

БП = 139,00 - 2,12 х Я, при 4,4 5 Я < 14,84 [ 9,46 - 0,13 х Я, при Я > 14,84

По результатам моделирования установлено, что на величину биологического потенциала ТБО основное влияние оказывают пищевые отходы и бумага в составе ТБО. Значение биологического потенциала ТБО возрастает до 30,19 масс. % с увеличением размера фракции до 4,5 см, что связано с увеличением количества пищевых отходов в составе ТБО. С дальнейшим увеличением размера компонентов ТБО значение биологического потенциала ТБО снижается из-за уменьшения содержания пищевых отходов и незначительного роста доли бумаги небольшого размера. При достижении размера фракции 15,56 см основное влияние на выявленный рост биологического потенциала оказывает содержание бумаги (после извлечения бумаги значение биологического потенциала снижается в 10 раз). Исследования характера изменения биологического потенциала ТБО в зависимости от фракционного состава на примере других городов (Пермь, Екатеринбург) подтвердили полученные результаты.

Установленные закономерности, с учетом содержания балластных компонентов, позволили определить, что целесообразнее всего подвергать биохимической деструкции (компостированию) фракцию ТБО размером 2-9 см.

С практической точки зрения на объектах сортировки ТБО на этапе подготовки потока отходов непосредственно к сортировке необходимо в качестве фракции, мешающей сортировке (подгрохотной или, так называемой, компостной фракции), отделять фракцию размерами от 0 до 8-9 см.

В третьей главе разработана классификация методов использования продуктов МБП ТБО и ТНСО в хозяйственной деятельности человека (рис. 3).

и и

О и н

ч «

о С

2 и

о ч о

40 35 30 25 20 15 10

М 0

1 1 - !

/ ^ / |

} * У *

; / ■ »1' \ т\ /

1 ; \ \ > / 1

/ ; \ 1 ^ <

' 1

г Шн—1—1—¡А 1 ■ 1 II 1 1 1 1 1 Н 1 м - —1-т- —(-¡-1—1- М11- -м 11

10 15 20 25 30 35 Размер фракции ТБО, см

Рис. 1 - Зависимость изменения биологического потенциала ТБО от фракционного состава (вариант 1)

5 $

м н

ч я

3 а

а» К о С

¡в

2 и

и о

ч в

40 35 30 25 20 15 10 5

1 1

% ♦

• # 1 \ *

: ®/ , « I в < *

1 ; \

• « » " - —-

1 1 а 1 : 1 11- 1 И ' .1 1 —1—1—»—1— 1111- 1 1 т—1- Н—1—1—1— ---щ

15 20 25 30 35 Размер фракции ТБО, см

Рис. 2 - Зависимость изменения биологического потенциала ТБО от фракционного состава (вариант 2)

Основные показатели, регламентирующие применение продуктов МБП ТБО и ТНСО, можно разделить на следующие категории: физико-механические (размер частиц, коэффициент фильтрации, коэффициент морозостойкости, пределы прочности на растяжение и на сжатие, относительная влажность, сумма фракций менее 0,01 мм, содержание стекла различных фракций, полимерных материалов, прочих балластных включений); химические (содержание нефтепродуктов, хлоридов, органического вещества, удобрительных элементов, гумуса, тяжелых металлов, бенз(а)пирена, алюминия подвижного, натрия, серы, солесодержание, отношение СЖ, кислотность, сумма токсичных солей, кратность разведения экстракта, действующая на гидробионты); санитарные (индекс лактозоположительных кишечных палочек (коли-формы), индекс энтерококков (фекальных стрептококков), цисты кишечных патогенных простейших, генотоксичность почвы, наличие яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов); радиологические (удельная активность радионуклидов).

На основе данных показателей определены численные значения критериев применения продуктов МБП ТБО и ТНСО и разработаны материалы: 1) «Компост» марок М1, М2 и МЗ; 2) Материал рекультивационный с использованием продуктов переработки буровых шламов и нефтезагрязненных грунтов марок НП-2Т и НП-2В; 3) Органо-минеральный композиционный строительный материал марки НП-5.

Разработана техническая документация по переработке отходов производства и потребления и использованию полученных материалов, включающая: ТУ 990000-003-02069065-2007 на компост, вырабатываемый из отходов производства и потребления; ТУ 571270-003-55059747-2008 на материал рекультивационный с использованием продуктов переработки буровых шламов и нефтезагрязненных грунтов; ТУ 571190-002-55059747-2008 на органо-минеральный композиционный строительный материал.

В основу разработки ТУ была положена система и численные значения технологических, токсикологических и санитарных критериев. Значения критериев определяются направлением использования получаемого продукта. Например, для установления критериев безопасного применения продуктов МБП ТНСО в строительном направлении, в качестве аналогов были приняты существующие строительные материалы, в которых первичное сырье заменено на вторичное без ухудшения качества и степени опасности для окружающей среды получаемого материала. Технологическими критериями применения органо-минерального композиционного строительного материала марки НП-5 в строительном направлении являются: значение коэффициента фильтрации не более 10"5 м/сек, предел прочности на растяжение не менее 0,4 МПа, на сжатие -10,0 МПа, коэффициент морозостойкости не менее 0,7, относительная влажность не более 85 %. К токсикологическим критериям относятся: содержание нефтепродуктов не более 50 г/кг, солесодержание не более 5 %. Критерием радиационной безопасности служит удельная активность радионуклидов не более 740 Бк/кг.

<JU

s¡

л ж

er to О а Û Ä

►3 •хз

Ч:

о «

1 о Й Л

л ft

•8

Û g*

i о

В качестве примера в табл. 2 представлены критерии применения продуктов МБП ТНСО для технической и биологической рекультивации.

Таблица 2. Критерии безопасного применения рекулътивационных

Наименование параметра Значения для марок материала рекультивационного

НП-2Б НП-2Т

Технологические

эН 5,5 - 8,2 5,5-8,2

Гумус (не менее), % 2,0 Не определяется

Сумма фракций размером менее 0,01 мм, % 10-75 10-75

Относительная влажность (не более), % 85,0 85,0

Токсикологические

Содержание нефтепродуктов (не более), г/кг 20 20

Солесодержание на сухую навеску в водной вытяжке (не более), % 0,15 5,0

Сумма токсичных солей (не более) на сухую навеску в водной вытяжке, % 0,1 Не определяется

Содержание хлоридов на сухую навеску в водной вытяжке (не более), % 0,02 Не определяется

Алюминий подвижный (не более), мг/100 г 3,0 Не определяется

Кратность разведения экстракта, действующая на гидробионты, (не более), ед. 100 100

Натрий (не более), % от емкости поглощения 5,0 Не определяется

Содержание серы (не более), мг/кг 160,0 160,0

Санитарные

Содержание яиц гельминтов (не более), экз./кг Отсутствие Отсутствие

Число патогенных микроорганизмов (не более), ЭКЗ./КГ Отсутствие Отсутствие

Индекс лактозоположительных кишечных палочек (коли-формы), (не более) 10 10

Индекс энтерококков (фекальных стрептококков), (не более) 10 10

Цисты кишечных патогенных простейших, экз./100 г Отсутствие Отсутствие

Генотоксичность почвы (рост числа мутаций по сравнению с контролем) число раз до 2 Не определяется

Удельная активность радионуклидов (не более), Бк/кг 300 300

Материал рекультивационный марки НП-2Т применяется в качестве технического грунта при рекультивации, марки НП-2Б - в качестве потенциально плодородного слоя при рекультивации. При соответствии полученных материалов установленным значениям критериев согласно направлению дальнейшего использования применение данных материалов не окажет

негативного влияния на окружающую среду. Проведено экспериментальное подтверждение экологической и санитарной безопасности применения разработанных материалов. ТУ на материалы согласованы территориальными органами Роспотребнадзора.

В четвертой главе разработаны технологические схемы МБП отходов, совмещенные с рекультивацией объектов захоронения ТБО. Технология основана на совмещении процесса формирования почвенно-растительного слоя в составе рекультивационного покрытия полигона с этапом дозревания полупродуктов МБП.

Данный подход позволяет заменить первичные почвенно-земельные ресурсы вторичными путем использования ресурсного потенциала продуктов МБП отходов, повысить эффективность МБП без финансовых потерь за счет размещения полупродуктов МБП не на основной технологической площадке, а на территории, нуждающейся в рекультивационном грунте, снизить антропогенную нагрузку как от изъятия природных почв и грунтов, так и от необходимости отвода новых площадей для осуществления полного цикла МБП, повысить эффективность рекультивационного покрытия за счет создания условий, способствующих развитию растительности.

В результате оценки выбора метода рекультивации полигонов ТБО выявлено, что для полигонов площадью более 1 га с высотой слоя накопленных отходов более 1 м, следует проводить рекультивацию непосредственно на месте (метод ш-БЛи), для более мелких полигонов целесообразно осуществлять рекультивацию методом ех-эки, предполагающим вывоз отходов на действующие объекты захоронения ТБО (при соответствующем технико-экономическом обосновании).

Разработана технологическая схема механо-биологической переработки ТБО в компост и его применения для рекультивации полигонов ТБО. На основе разработанной технологии построена модель материальных потоков МБП ТБО для г. Перми. Определены коэффициенты трансформации материальных потоков процесса.

Разработана технологическая схема МБП ТНСО, позволяющая получать целевой продукт в зависимости от состава, свойств ТНСО, местных условий и возможности использования. С помощью данной схемы определяется набор технологических операций, позволяющий получить материал, соответствующий тем или иным техническим условиям. Основными блоками технологической схемы МБП ТНСО являются: прием и входной контроль поступающих на переработку отходов, включая дозиметрический; подготовка отходов к переработке механическими методами; перемещение на участок микробиологической ремедиации; осуществление процесса микробиологической ремедиации; отведение и обезвреживание сточных вод; контроль параметров процесса микробиологической ремедиации; транспортировка продукта/полупродукта микробиологической ремедиации нефтезагрязненных грунтов на рекультивируемый объект и его укладка на рекультивируемой поверхности; биологическая рекультивация объекта; фиторемедиация; мониторинг процесса дозревания продукта и воздействия объекта на

окружающую среду. Технологическая схема МБП ТНСО реализована в проектах объектов обезвреживания ТНСО, проведена оценка воздействия технологических решений, предусмотренных данной схемой, на окружающую среду, подобрано технологическое оборудование для осуществления основных операций, технологическое оборудование, позволяющее переработать сопутствующие продукты.

Определена эколого-экономическая эффективность технологии рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов механо-биологической переработки ТБО. Снижение эмиссии парниковых газов при реализации разработанной технологии снизится в 11 раз по сравнению с захоронением компоста и на 20 % при дозревании компоста на предприятии МБП (рис. 4). Потребность в площади для дозревания компоста при использовании его для рекультивации снизится почти в 10 раз (рис. 5).

1000

Использование Дозревание компоста компоста для на территории

рекультивации предприятия МБП

Рис. 4 - Сравнение удельной эмиссии СО 2 в атмосферу при различных подходах к осуществлению этапа дозревания компоста

Я Дозревание продукта 0 Переработка отходов

Цикл МБП на территории 1У1БП, совмещенная с предприятия рекультивацией полигона

Рис. 5 - Потребность в площадях для организации технологических площадок при различных подходах к осуществлению этапа дозревания компоста

выводы

1. На основании проведенных исследований установлено, что факторами формирования антропогенной нагрузки при рекультивации полигонов ТБО являются: задалживание территорий, изъятие плодородного грунта, задержка ландшафтного восстановления, выделение метана и фильтрата, загрязнение атмосферного воздуха в результате работы машин.

2. Построена математическая модель зависимости биологического потенциала ТБО от их фракционного и компонентного состава. Значение биологического потенциала ТБО возрастает до 30,19 масс. % с увеличением размера фракции до 4,5 см, затем снижается. При достижении размера фракции 15,56 см основное влияние на выявленный рост биологического потенциала оказывает содержание бумаги. Наибольшим биологическим потенциалом после извлечения вторичного сырья обладает фракция ТБО размером 2-9 см.

3. Разработана классификация методов использования продуктов МБП ТБО и ТНСО в хозяйственной деятельности. Установлены численные значения технологических, токсикологических н санитарных критериев использования продуктов МБП ТБО и ТНСО для технической и биологической рекультивации, в строительном и сельскохозяйственном направлениях. Разработан комплект технической документации, в соответствии с которыми осуществляется использование продуктов МБП ТБО и ТНСО.

4. Разработана модель материальных потоков МБП ТБО для г. Перми. Рассчитаны коэффициенты трансформации материальных потоков, позволяющие определять воздействие на окружающую среду при МБП ТБО.

5. Разработана технологическая схема МБП отходов на примере ТНСО. Определены технологические параметры процесса получения продуктов, применяемых в народном хозяйстве, из ТНСО. Проведен анализ эмиссий в окружающую среду в процессе МБП отходов на примере ТБО и ТНСО.

6. Проведена эколого-экономическая оценка технологии рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов МБП отходов на примере ТБО. Экономический эффект от применения компоста для рекультивации объектов захоронения ТБО на территории Пермского края составит 882 млн. руб., а величина предотвращенного ущерба от предотвращения деградации земель -202,72 млн. руб.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жилинская Я.А. Рекультивация свалок твердых бытовых отходов с использованием отходов, прошедших аэробную стабилизацию / Жилинская Я.А., Вайсман Я.И., Коротаев В.Н., Карачинцева Т.В., Тагилов М.А. // Сборник докладов 4-го международного конгресса по управлению отходами «ВэйстТэк-2005», Москва, 31.05 - 3.06 2005, - С. 260-261.

2. Жилинская Я.А. Критерии качества компоста, вырабатываемого из твердых бытовых отходов (ТБО) / Жилинская Я.А., Вайсман Я.И., Коротаев В.Н. У/ Третий сборник научных трудов «Вопросы охраны окружающей среды», Вена - Пермь, 2005. - С. 54 - 68.

3. Жилинская Я.А. Критерии качества компоста, получаемого из твердых

бытовых отходов (ТБО) / Жилинская Я.А., Вайсман Я.И. // Материалы IV международной конференции «Экология и научно-технический прогресс», Пермь, 2005,-С. 44-50.

4. Жилинская Я.А. Требования к качеству компоста, получаемого из твердых бытовых отходов (ТБО) / Жилинская Я.А., Вайсман Я.И. // Материалы 3-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды», Пермь, 2005,-С. 167-172.

5. Жилинская Я.А. Дифференцированные требования к качеству компоста, вырабатываемого из твердых бытовых и промышленных отходов, в зависимости от области его применения / Жилинская Я.А., Коротаев В.Н. II Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции «Экология: проблемы и пути решения», Пермь, 2005, - С. 111-115.

6. Жилинская Я.А. Применение дифференцированного подхода к оценке качества компоста, вырабатываемого из твердых бытовых и промышленных отходов / Жилинская Я.А., Вайсман Я.И., Коротаев В.Н. // Сборник рефератов и научных статей «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений. Механизация строительства. Охрана окружающей среды, Пермь, 2006, - С. 109-115.

7. Жилинская Я.А. Разработка дифференцированных требований к компосту, получаемому из твердых бытовых и промышленных отходов / Жилинская Я.А., Коротаев В.Н. // Материалы V Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс», Пермь, 2006, - С. 64-69.

8. Жилинская Я.А. Критерии выбора технологии переработки твердых нефтесодержащих отходов / Жилинская Я.А., Белозеров Д.С., Слюсарь H.H. II Экология: проблемы и пути решения: Материалы XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Пермь, 2006. - С. 40-45.

9. Жилинская Я.А. Получение материалов на основе отходов нефтедобычи для использования в народном хозяйстве / Жилинская Я.А., Коротаев В.Н. // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса. Охрана окружающей среды», Пермь, 2007, - С. 183-197.

10. Жилинская Я.А. Научно-методический подход к повышению ресурсного потенциала отходов производства и потребления / Жилинская Я.А. // Экология и промышленность России, М.: 2007 - № 10, - С. 26-29.

11. Жилинская Я.А. Получение «почвогрунта» и «техногрунта» из отходов производства и потребления / Жилинская Я.А., Вайсман Я.И., Коротаев В.Н., Фусс В.А., Дорофеев A.A. // Сборник докладов 5-го международного конгресса по управлению отходами и природоохранным технологиям «ВэйстТэк-2007», - М.: 2007, - С. 157-158.

12. Жилинская Я.А. Процессы, протекающие на полигонах ТБО / Жилинская Я.А., Вайсман Я.И., Рудакова JI.B. // Твердые бытовые отходы, М.: 2008 - № 1,-С. 14-19.

13. Жилинская Я.А. Технологические подходы к использованию ресурсного потенциала продуктов механо-биологической переработки отходов / Жилинская Я.А., Коротаев В.Н. // Материалы международной научно-технической конференции к 30-летию автодорожного факультета ПГТУ «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения», Пермь, 2009, - С. 184-189.

14. Жилинская Я.А. Исследование морфологического и фракционного состава ТБО мегаполиса / Жилинская Я.А., Абрамов Н.Ф., Архипов С.В, Карелин М.В. // Сборник статей: «Отходы: экология, технология, ресурсосбережение» шестого международного форума по управлению отходами и природоохранным технологиям «Вэйстэк-2009», - М : ЗАО «Фирма СИБИКО Интернэшнл», 2009, - С. 7-11.

15. Жилинская Я.А. Снижение антропогенной нагрузки за счет использования продуктов биохимической переработки отходов производства и потребления // Сборник статей: «Отходы: экология, технология, ресурсосбережение» шестого международного форума по управлению отходами и природоохранным технологиям «Вэйстэк-2009», - М : ЗАО «Фирма СИБИКО Интернэшнл», 2009, - С. 108-111.

Подписано в печать 22.03.2010. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 646/2010

Отпечатано в типографии издательства Пермского государственного технического университета. Адрес:614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, к. 113 Тел. (342)219-80-33.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Жилинская, Яна Андреевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ФОРМИРОВАНИЯ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЛИГОНОВ ТБО.

1.1. Анализ состояния проблемы рекультивации старых полигонов ТБО на территории Пермского края.

1.2. Требования к материалам, используемым для рекультивации полигонов ТБО.

1.3. Получение альтернативных рекультивационных материалов путем механо-биологической переработки отходов производства и потребления

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ТБО ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ИХ МЕХАНО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ В КАЧЕСТВЕ РЕКУЛЬТИВАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Анализ процессов формирования биологического потенциала отходов.

2.2. Усовершенствование методики исследования состава и свойств ТБО.

2.3. Исследования состава и свойств ТБО на примере городов Москва, Пермь, Екатеринбург.

2.4. Анализ закономерностей изменения биологического потенциала

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ И КРИТЕРИЕВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ МЕХАНО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ.

3.1. Обоснование направлений использования продуктов механо-биологической переработки отходов в хозяйственной деятельности.

3.2. Определение показателей, регламентирующих использование продуктов механо-биологической переработки отходов в народном хозяйстве.

3.3. Разработка критериев использования продуктов механо-биологической переработки отходов в народном хозяйстве.

3.4. Организационно-правовые требования к применению продуктов механо-биологической переработки отходов в народном хозяйстве.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЛИГОНОВ ТБО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОДУКТОВ МЕХАНО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ.

4.1. Выбор метода рекультивации объекта размещения отходов.

4.2. Разработка технологической схемы рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов механо-биологической переработки отходов.

4.3. Оценка экологической безопасности продуктов механо-биологической переработки ТНСО.

4.4. Эколого-экономическая оценка реализации разработанной технологии рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов механо-биологической переработки отходов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Рекультивация полигонов захоронения твердых бытовых отходов продуктами механо-биологической переработки отходов"

Развитие системы обращения с отходами требует рекультивации объектов размещения отходов, прекративших прием или не отвечающих современным экологическим и технологическим требованиям, и оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.

Основной экологической и экономической проблемой при рекультивации является дефицит почвогрунтовых ресурсов для создания рекультивационных покрытий, а использование значительных объемов этих ресурсов создает высокую антропогенную нагрузку. Для рекультивации 1 га полигона требуется до 10 тыс. м3 почвенно-растительного грунта, что соответствует нарушению 5 га природных земель, т.е. до 5 раз может превышать площадь рекультивируемого объекта.

С целью экономии природных ресурсов при проведении рекультивационных работ, почва может быть заменена продуктами механо-биологической переработки (МБП) отходов производства и потребления. Возможность замены первичных ресурсов вторичными, полученными путем переработки отходов, определяется биологическим потенциалом отходов, подвергающихся МБП. Типичными отходами производства и потребления, обладающими ресурсным (в частности, биологическим) потенциалом, являются твердые нефтесодержащие отходы (ТНСО) и ТБО, ежегодные объемы образования которых в РФ составляют до 700 тыс. тонн и до 30 млн. тонн соответственно. На территории Пермского края ежегодное образование отходов составляет 1,2 млн. тонн ТБО (в т.ч. 400 тыс. тонн биоразлагаемой фракции) и ориентировочно 30 тыс. тонн ТНСО (в т.ч. порядка 20 тыс. тонн нефтезагрязненного грунта).

Нефтяная промышленность играет значительную роль в создании социально-экономического потенциала Пермского края и, в частности, нефтедобывающих административных районов. На территории края эксплуатируется 117 нефтяных месторождений в 15 административных районах. В то же время именно с данной отраслью промышленности связано возникновение многих экологических проблем [44].

Обозначенный круг проблем определил цель настоящей работы и задачи исследования.

Целью работы являлось научное обоснование снижения антропогенной нагрузки при рекультивации полигонов' ТБО за счет использования продуктов механо-биологической переработки отходов производства и потребления.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Исследовать формирование антропогенной нагрузки при рекультивации полигонов ТБО.

2. Усовершенствовать методику исследования морфологического состава ТБО и исследовать состав и свойства ТБО для оценки ресурсного потенциала отходов.

3. Обосновать направления и разработать критерии использования продуктов МБП отходов в народном хозяйстве, исследовать физикохимические и санитарно-гигиенические свойства продуктов МБП отходов.

Объектом исследования являлись продукты механо-биологической переработки ТБО и ТНСО.

Научная новизна выполненных исследований:

• Определены закономерности изменения биологического потенциала ТБО в зависимости от фракционного состава для смешанных ТБО и для ТБО, из которых извлечены компоненты вторсырья, построена, математическая модель полученных зависимостей:

• Обоснованы экологические и технологические критерии, безопасного использования продуктов' МБП ТБО' и ТНСО в следующих направлениях: строительное, сельскохозяйственное, техническая и биологическая рекультивация. Проведены физико-химические исследования продуктов МБП ТНСО и доказана экологическая безопасность их применения.

Результаты научных исследований использованы при разработке технических условий на компост, вырабатываемый из отходов производства и потребления,. технических условий: наг органо-минеральный композиционный строительный' материал, технических условий на материал рекультивационный с использованием продуктов переработки; буровых шламов и нефгезагрязненных грунтов, технологического- регламента проведения работ по переработке* бурового шлама и твердых нефтесодержащих отходов^ с. использованием . микробиологической ремедиации, и применению < полученных материалов, «Концепции развития

ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» в области обращения с твердыми нефтесодержащими отходами», «Концепции обращения с отходами производства и потребления на территории Пермского края на 2008-2012 годы», проектно-сметной документации для строительства и рекультивации объектов обезвреживания отходов производства и потребления. Результаты исследований используются в учебном процессе подготовки специалистов по направлению 280200.62 «Защита окружающей среды» в курсах лекций по дисциплинам «Экология», «Техника защиты окружающей среды», «Проектирование полигонов захоронения отходов».

Заключение Диссертация по теме "Экология", Жилинская, Яна Андреевна

Результаты исследования подострой токсичности экстракта рекультивационного материала при пероральном введении на лабораторных животных (крысах), проводимого согласно МУ 2163-80 показали, что экстракт материала в разведении 1/10 и 1/100 не оказывает токсического действия.

Изучение миграции нефтепродуктов из рекультивационного (марки НП-2) и строительного (марки НП-5) материалов по профилю почвы проводилось в стационарных опытах с учетом местных почвенно-климатических условий, специфики компонентов материала и предполагаемого направления его использования.

Исследование проводилось в течение 49 суток. С целью определения влияния содержания природных битумоидов в исследуемых образцах, параллельно проводилось изучение миграции углеводородов из образца чистой почвы идентичного механического состава, исключающего возможность антропогенного влияния.

Эффект миграции определялся по кратности превышения ПДКВ нефтепродуктов (0,3 мг/л). Результаты исследования миграции нефтяных компонентов по профилю почвы представлены на рис. 4.6.

В начале эксперимента (на седьмые сутки) содержание нефтепродуктов в фильтрате чистой пробы было наименьшим (0,4 мг/л), в фильтрате материала марки НП-5 - наибольшим (1,1 мг/л). Затем наблюдалось повышение содержания нефтепродуктов в фильтратах всех исследуемых образцов, причем на 22-е сутки эксперимента содержание нефтепродуктов составило: 1,15 мг/л - в фильтрате материала марки НП-5, 1,25 мг/л в фильтрате материала марки НП-2, 1,5 мг/л в фильтрате чистой пробы. На 28-е сутки произошла стабилизация процесса вымывания нефтепродуктов: максимальное значение отмечено в фильтрате марки НП-2 (1,9 мг/л), в фильтрате в фильтрате чистой пробы содержание нефтепродуктов составило 1,6 мг/л, наименьшим содержание нефтепродуктов оказалось в фильтрате материала марки НП-5 - 1,5 мг/л. Далее в ходе эксперимента было зафиксировано снижение содержания нефтепродуктов в фильтратах всех анализируемых проб. На 49-е сутки эксперимента содержание нефтепродуктов составило: 1,33 мг/л - в фильтрате материала марки НП-2, 1,37 мг/л в фильтрате чистой пробы, 1,44 мг/л в фильтрате материала марки НП-5. ч s ■ва 0

1 >,

4 о с. с 0

5 ■е

V X V 1 о. V ч о и

2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

1,84

1,55

- Ill 49>n

Т,50 1,50 1,4" """ ff 1,37 1,33

По-

ЧР,70 / ч 0,40 / \ •г V

N 0,30 0,29 ^ Ч" / — — 0,17

S Ч --1-1-~ 0,00 . / оро 0,00 —♦--—- 0^0 0,07 -«■ J*0.00

14 21 28 35

Сутки от начала эксперимента

-материал НП-2 -материал НП-5 -Чистая почва

-ПДКр.х. материал НП-2 (за вычетом природных биту моидов) —♦— материал НП-5 (за вычетом природных биту моидов)

Рис. 4.6. Результаты исследования миграции нефтепродуктов по профилю почвы

Как видно из графика, представленного на рис. 4.6, зависимость изменения содержания нефтепродуктов в фильтратах исследуемых проб от времени имеет общий характер для всех исследуемых материалов.

Утвержденные методики определения нефтепродуктов в воде и почве не учитывают влияния природной составляющей органического вещества почвы (не имеющего отношения к нефти и нефтепродуктам), которое при анализе экстрактов водных вытяжек из нефтесодержащих грунтов определяется как нефтепродукты.

Нефти, нефтепродукты и другие близкие им по составу соединения, находящиеся в природной среде (почвах, грунтах, горных породах), имеют собирательное название «битуминозные вещества» [29]. Как было показано Л. Кувшинской, содержание битуминозных веществ зависит от механического состава и химических свойств почв [19].

Существуют методики, позволяющие определять содержание битумоидов в почвах и грунтах (причем, как природных (почвенных), так и нефтяных и даже смешанных (включающих природные и нефтяные компоненты)), основанные на способности растворов битумоидов люминесцировать в ультрафиолетовых лучах. С помощью данных методик можно осуществлять диагностику загрязнений почв, в том числе с учетом влияния углеводородов неспецифических составляющих почвенного гумуса (липидов), которые согласно Ю. Пиковскому, могут образовываться как из растительных остатков (например, из листового опада), так и метанобразующими бактериями. Тем не менее, такие методики носят скорее исследовательский характер, и не используются федеральными и региональными надзорными органами для контроля загрязнения почв и грунтов нефтепродуктами.

В нашем исследовании проведена оценка влияния фонового содержания нефтепродуктов в почве, на основе которой определены вероятные значения концентраций нефтепродуктов в фильтратах материала рекультивационного» марки НГТ-2 и материала строительного марки НП-5 без учета содержания природных битумоидов (рис. 4.6).

Одним из основных результатов исследования является то, что содержание нефтепродуктов в фильтратах продуктов механо-биологической переработки ТНСО, применяемых в качестве строительного и рекультивационных материалов, с учетом фоновой концентрации не превышает ПДКр х (0,3 мг/л).

Предложенный нами подход к рекультивации объектов захоронения отходов позволяет заменить первичные почвенно-земельные ресурсы вторичными путем использования ресурсного потенциала продуктов МБП отходов, повысить экономическую эффективность МБП за счет размещения полупродуктов МБП не на основной технологической площадке, а на территории, нуждающейся в рекультивационном грунте, снизить антропогенную нагрузку как от изъятия природных почв и грунтов, так и от необходимости отвода новых площадей для осуществления полного цикла МБП, повысить эффективность рекультивационного покрытия за счет создания условий, способствующих развитию растительности.

Нами определена эколого-экономическая эффективность технологии рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов механо-биологической переработки ТБО (компоста).

Сравнение удельной эмиссии парниковых газов (по С02) в атмосферу [43, 54, 114, 115] при различных подходах к осуществлению этапа дозревания компоста (рис. 4.7) показывает, что эмиссия парниковых газов, поступающих в атмосферу при захоронении компоста, составляет порядка 920 м , при использовании компоста для рекультивации объектов захоронения отходов -80 м3, при дозревании компоста на территории предприятия, осуществляющего механо-биологическую переработку отходов - 98 м3.

Ч» 1000 г п о

Он и

С? ее о W о к ч

8 К S

800

600

400

200 0

Захоронение компоста

Использование компоста для рекультивации

Дозревание компоста на территории предприятия МБП

Рис. 4.7. Сравнение удельной эмиссии парниковых газов (по С02) в атмосферу при различных подходах к осуществлению этапа дозревания компоста

Таким образом, эмиссия парниковых газов при реализации разработанной технологии совмещения этапа дозревания компоста с рекультивацией полигонов снизится в 11 раз по сравнению с захоронением компоста и на 20 % при дозревании компоста на предприятии МБП.

Оценка экономической эффективности технологии рекультивации полигонов ТБО с использованием продуктов МБП отходов (на примере ТБО) показала, что экономический эффект от производства 1 тонны компоста составит ориентировочно 105 руб. Соответственно, экономический эффект от применения компоста для рекультивации объектов захоронения ТБО на территории Пермского края составит 882 млн. руб., а величина предотвращенного ущерба от недопущения деградации земель - 202,72 млн. руб.

Кроме того, оценка потребности в площадях для дозревания компоста (рис. 4.8) показала, что для осуществления одного цикла компостирования 5 тыс. тонн отходов (например, с использованием биотуннелей) необходимо 0,025 га для реализации основного технологического процесса компостирования и 0,25 га - для размещения полупродукта с целью дозревания. Потребность в площади для дозревания компоста при использовании его для рекультивации снизится почти в 10 раз.

0,3

0,25 я U 0,2 " л

0,15

3 о

0,1

0,05

И Дозревание продукта ■ Переработка отходов

Цикл МБП на территории МБП, совмещенная с предприятия рекультивацией полигона

Рис. 4.8. Потребность в площадях для организации технологических площадок при различных подходах к осуществлению этапа дозревания компоста

Информация о работе