На правах рукописи Ахмедова Наталья Равиловна

На правах рукописи
Ахмедова Наталья Равиловна
ЗАЩИТА ГРУНТОВЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ИНФИЛЬТРАТОМ
СВАЛОК В КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
Специальность 03.02.08 – «Экология» (биологические науки)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Калининград - 2010
Работа выполнена на кафедре водных ресурсов и водопользования
Федерального
государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Калининградский государственный технический университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Ведяшкин Анатолий Сергеевич
Официальные оппоненты:
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Панасин Владимир Ильич
доктор биологических наук, доцент
Архипов Александр Геральдович
Ведущая организация:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
Защита состоится «25» июня 2010г. в 17-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.084.04 при ФГОУ ВПО «Российский государственный университет им. И. Канта»
по адресу 236040, г. Калининград, ул. Университетская, 2, факультет биоэкологи, аудитория
143.
Отзывы на автореферат направляются по адресу: 236040, г. Калининград, ул. Университетская, 2, факультет биоэкологи, кафедра ботаники и экологии растений.
Факс: (4012) 53-37-07; (4012) 53-37-75
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГОУ ВПО «Российский
государственный университет им. И. Канта» (236040, г. Калининград, ул. Университетская,
2)
Автореферат разослан «21» мая 2010 года.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат биологических наук, доцент
И.Ю. Губарева
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Серьезной экологической проблемой Калининградской области является загрязнение транзитных поверхностных и
грунтовых вод и инфильтрата на свалках твердых бытовых отходов (ТБО)
(Иванов, 2007). По состоянию на 01.11.2006 г. по разрешению министерства
ЖКХ и строительства в области используется 43 свалки, санкционировано муниципальными образованиями 37 свалок, закрыта, но используется несанкционированно 21 свалка, закрыты - 64 свалки (за период с 2003 г. по 2006 г.).
Практически все свалки не отвечают современным природоохранным требованиям по эксплуатации, содержанию и мониторингу окружающей среды. Значительная часть из них расположена на берегах заливов и рек (в районе городов
Балтийск, Калининград, Мамоново, Гусев, Черняховск), на городских землях
(города Советск, Неман). В области нет ни одного действующего полигона по
размещению твердых бытовых отходов, оборудованного в соответствии с современными экологическими требованиями по охране природной среды.
В работе к разряду свалок отнесены все объекты области, имеющие закрепленное за ними название «полигон твердых бытовых отходов», но не соответствующие современным требованиям по охране окружающей среды.
В этой связи разработка способов защиты транзитных поверхностных и
грунтовых вод от загрязнения и биологической очистки вод фильтрата на свалках Калининградской области является актуальной.
Цель исследований – разработка способов предотвращения загрязнения
транзитных поверхностных и грунтовых вод и биологической очистки фильтрата на свалках ТБО, предназначенных для проектирования природоохранных
мероприятий.
Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:
- выполнить анализ современного состояния и перспектив развития мероприятий, направленных на защиту поверхностных и грунтовых вод от загрязнения и
биологическую очистку фильтрата на свалках ТБО;
3
- определить фильтрационные свойства сапропелей – озерных донных отложений и возможность их использования для создания водозащитных завес и экранов;
- установить закономерности движения грунтовых вод в окрестности контурной противофильтрационной завесы и при нагнетании фильтрата в грунтовый
массив и определить возможность использования этих закономерностей для
назначения природоохранных мероприятий;
- выполнить оценку влияния свалок ТБО на окружающую природную среду методами биотестирования;
- разработать способы защиты поверхностных и грунтовых вод на свалках ТБО
при биологической очистке фильтрата.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
1. Определен коэффициент фильтрации донных отложений озера Верхнее и
смесей их с песком, установлена зависимость коэффициента фильтрации
смесей от процентного соотношения донных отложений и песка.
2. Разработана методика расчета уклонов свободной поверхности грунтовых
вод, их скоростей и расходов в окрестности возводимой по контуру свалки
ТБО противофильтрационной завесы.
3. Обоснована возможность биологической очистки фильтрата свалок ТБО на
биологических прудах и полях фильтрации.
4. Установлена возможность определения загрязнения природной среды в
окрестности свалок ТБО методами биотестирования.
5. Предложены меры по отводу транзитных поверхностных и грунтовых вод,
локализации и сбору фильтрата на свалках ТБО.
Новизна исследований подтверждается двумя патентами на изобретения
и патентом на полезную модель.
Практическое значение результатов исследований. Внедрение положений, расчетных методик и предложенных технологических схем:
- позволяет обоснованно решать вопросы выбора биологических и технических
мероприятий по очистке фильтрата и защите транзитных вод от загрязнения;
4
- обеспечивает улучшение экологической обстановки в регионе.
Реализация результатов исследований. «Заключение по вопросу рекультивации отработанной части полигона ТБО (городской свалки ТБО) г.
Краснознаменска» передано МУП ЖКХ г. Краснознаменска для внедрения рекомендаций по рекультивации первой очереди свалки. Стенд для моделирования фильтрации в пористой среде используется при проведении исследований и
практических занятий по дисциплинам: «Улучшение качества природных и
очистка сточных вод», «Эксплуатация мелиоративных систем», «Гидротехнические сооружения комплексного и отраслевого назначения» в ФГОУ ВПО
«Калининградский государственный технический университет».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Донные отложения, получаемые при экологическом восстановлении
водоемов, имеют фильтрационные свойства, сопоставимые с глинами и их
можно использовать в качестве изолирующего материала для возведения контурных противофильтрационных завес и экранов.
2. Технологическая схема очистки фильтрата свалок ТБО на биологических прудах и полях фильтрации с использованием биофильтров на природных
грунтах, сапрофитных бактерий активного ила, комплекса микроводорослей и
высшей растительности с формированием пищевых цепей.
3. Мероприятия по предотвращению загрязнения транзитных вод в районе свалок ТБО, базирующиеся на установленных закономерностях движения
грунтовых вод в окрестности противофильтрационной завесы.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объемом экспериментальных
и аналитических исследований, выполненных по апробированным методикам
определения коэффициента фильтрации, решения фильтрационных задач методом потенциального движения жидкости, биоиндикации окружающей среды по
стабильности развития древесных растений, в частности флуктуирующей
асимметрии листовой пластины.
5
Апробация работы. Материалы работы докладывались на международных научных конференциях: «Инновации в науке и образовании – 2006», «Инновации в науке и образовании – 2007», «Инновации в науке и образовании –
2008», «Инновации в науке и образовании – 2009» (г. Калининград, 2006 – 2009
г.г.), на XXV Межвузовской научно-практической конференции профессорскопреподавательского состава «Проблемы и перспективы совершенствования
охраны государственной границы и безопасности объектов» (г. Калининград,
ФГОУ ВПО «КПИ ФСБ России», 2009 г).
Публикации. Основные научные результаты исследований по теме диссертации изложены в 23 печатных работах, включающих 5 публикаций в изданиях, утвержденных ВАК РФ, в том числе 2 патента на изобретения и 1 патент
на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 132
страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных литературных источников из 103 наименований, содержит 37 рисунков,
9 таблиц и приложения.
Личный вклад автора состоит в формировании цели и задач исследований, обоснований путей их реализации, получении и интерпретации результатов исследований, разработке мер биологической очистки фильтрата, защиты
транзитных поверхностных и грунтовых вод от загрязнения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечается актуальность работы, сформулированы цель и
задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость результатов исследований.
В первой главе, которая носит обзорный характер, проведен анализ сведений по основным направлениям, рассматриваемым в работе.
Современные представления об охране окружающей среды сформировались благодаря исследованиям многих поколений ученых. Существенный вклад
в развитие различных аспектов биологического восстановления среды внесли
6
Банников А.Г. (1999), Захаров В.М. (1993), Иванов А.В.(2007), Константинов
Е.Л. (1997), Одум Е. (1961), Систер В.Г. (1996, 2003, 2004), Сметанин В.И.
(2006), Стрельцов А.Б. (1996, 1997), Фрид Ж. (1981), Шестакова Г.А. (1996,
1997) и др.
Мировая практика захоронения твердых бытовых отходов показывает,
что для этой цели необходимо создавать специальные высоконагружаемые полигоны, оборудованные водозащитным экраном, системой сбора и очистки
фильтрата (Иванов, 2007; Никифоров, 2006; Систер и др., 1996, 2003, 2004;
Сметанин, 2006). При этом стремятся использовать участки с благоприятными
инженерно-геологическими условиями.
Для очистки загрязненных вод применяют фильтрационные системы обратного осмоса. Очищенная вода восстанавливается в биотопах и возвращается
в реки и озера, а полученный концентрат в объеме 5 – 10% от исходного фильтрата утилизируется. Одной из альтернатив утилизации концентрата является
возврат его в тело свалки, что приводит к улучшению биохимических процессов органических остатков и ускорению процессов иммобилизации и деструктуризации органических соединений концентрата.
При возврате концентрата в массив отходов в нем происходит целый ряд
комплексных биохимических и физических процессов: биохимическое разложение органической части тела свалки, при котором снижается содержание органики в отходах и в фильтрате; в результате действия микроорганизмов происходит отложение органических и неорганических продуктов в виде окислов,
сульфидов и карбонатов; тяжелые металлы адсорбируются на различных поверхностях частиц отходов, таких как гуминовые соединения и глинистые минералы; выпадение некоторых солей при кристаллизации; за счет химиконеорганических процессов образуются различные сульфиды, сульфаты и карбонаты.
Анализ патентных исследований по созданию водозащитных экранов и
завес показал, что имеется достаточно много инженерных решений, позволяющих эффективно изолировать массив свалки от проникновения в них грунтовых
7
вод и атмосферных осадков. Однако имеющиеся решения требуют доработки
применительно к условиям свалок ТБО.
Биологические способы очистки сточных вод широко используются в городских системах водоотведения (Дикаревский, 1999; Воронов, 2006; Поворов,
2009; Яковлев, 1987). Методы очистки сточных вод предусматривают механическое и биохимическое воздействие, основанное на использовании жизнедеятельности микроорганизмов, которые окисляют органические вещества. Сооружения биологической очистки сточных вод делятся на два типа: сооружения, в которых очистка осуществляется в естественных условиях - биологические пруды и поля фильтрации; сооружения с искусственными условиями аэротенки, биологические фильтры, окситенки, гидроциклоны, центрифуги и
др.
Для площадей свалок более приемлемыми в условиях Калининградской
области следует признать сооружения биологической очистки в виде биологических прудов и полей фильтрации.
Во второй главе дана характеристика источников загрязнения вод, приведены климатические, гидрологические и гидрогеологические условия Калининградской области, методы исследования движения грунтовых вод и биоиндикационной оценки загрязнения окружающей среды (Баринова, 2002; Орленок, 2002). Климатический режим региона следующий. На широте 55°с.ш.
светлая часть суток составляет за год 4,5 тыс. часов, из них 1,7 тыс. часов –
солнечные. Прямая солнечная радиация максимальная в июне – 0,4 кВт/м2 (в
полдень), минимальная в декабре - 0,02 кВт/м2. Альбедо составляет летом
10…25%, зимой без снега 25…45%, со свежим снегом 70…80%. Температуры
воздуха в июле 17,5…17,8°С, в январе – 3,1…4,1°С, почвы летом 20…21°С, зимой -2…-4°С.
Территория области относится к зоне избыточного увлажнения. Количество атмосферных осадков 750…900 мм, суммарное испарение составляет
550…600 мм. Глубина промерзания почвы зимой в среднем составляет 44 см,
8
максимальная – до 115 см. Относительная влажность с ноября по январь составляет 83 – 89%, а в мае минимальна (51…63%).
В области преобладают западные, юго–западные и южные ветра (повторяемость 35 – 70%). Максимальные скорости достигают 30…40 м/с осенью и
зимой, 24 м/с весной и летом.
На территории области имеется 339 водотоков (общей длиной 5181 км),
95 осушительных каналов (3384 км). Из средних рек в области одна – река Преголя, из крупных – Неман. Густота речной сети - 0,99 км/км2.
По данным Калининградского центра по гидрометрии и мониторингу
окружающей среды отмечается загрязнение водных объектов: индекс загрязнения реки Неман 1,4…2,4, реки Преголи – 1,6, реки Шешупе – 1,5.
В гидрогеологическом отношении Калининградский регион занимает небольшую часть Прибалтийского артезианского бассейна Балтийской синеклизы. Пресные воды находятся в верхней зоне активного водообмена мощностью
100…200 м. Подземный сток составляет около 38,5 млн. м3/сут, с разгрузкой в
Балтийское море и заливы. Подземные воды используются для водоснабжения
городов Светлогорск, Пионерский, Мамоново, Зеленоградск, Неман, Советск и
некоторых поселков.
Оценка качества подземных вод по скважинам федеральной сети показала, что они не соответствуют требованиям, предъявляемым к экологически чистым подземным водам по компонентам природного и антропогенного происхождения.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований движения подземных вод.
Анализ фильтрационных свойств грунтов по результатам различных авторов (Бирюков, 1975; Денисов, 1960; Киселев, 1975,1980; Фисенко, 1965; Чугаев, 1982) показал, что в качестве материала для возведения противофильтрационных завес и водозащитных экранов используют глины, коэффициент
фильтрации которых находится в диапазоне от 10 -6 до 10-9 м/с и менее. Однако,
9
при их использовании необходимо строительство карьеров, что ухудшает экологию местности.
Выполнены лабораторные эксперименты по определению коэффициентов
фильтрации донных озерных отложений (сапропеля), добываемых в больших
объемах при экологическом восстановлении водоемов (озеро Верхнее, г. Калининград), для определения возможности их использования при возведении завес и экранов в качестве изолирующего материала.
Испытания проводились с использованием трубки Каменского на образцах следующих составов: песок – 100%; сапропель – 100%; песок 90% - сапропель 10%; песок 70% - сапропель 30%; песок 50% - сапропель 50%; песок 20% сапропель 80%.
По результатам испытаний установлено, что коэффициент фильтрации
смеси можно определять по предложенной формуле
k п  10 ( gkп ес  П ( gkп ес gkса п )) ,
где
(1)
k п - коэффициент фильтрации смеси песка и сапропеля при содержании в
ней доли песка, м/сут; k пес - коэффициент фильтрации 100% песка, м/сут; k сап коэффициент фильтрации 100% сапропеля, м/сут; П – содержание песка в смеси.
Вероятностная оценка показала, что экспериментальное распределение
коэффициентов фильтрации хорошо согласуется с теоретическим нормальным
распределением. Доверительный интервал для среднего значения коэффициента фильтрации kср с надежностью 0,99 (при kср принятому для всех опытов количестве 132 за 100%) составляет 98,61% < kср < 101,39. Для среднеквадратического отклонения σ доверительный интервал составляет 5,33%< σ < 7,42%.
Среднее значение коэффициента фильтрации сапропеля (100%) составляет 2·10-9 м/с, что соответствует этому параметру для глин. Поэтому для возведения завес и экранов рекомендуется использование донных отложений, что
позволит уменьшить площади земель, задалживаемые под размещение отложений в процессе экологического восстановления водоемов.
10
Аналитическим методом на основе общей теории потенциального движения решена задача фильтрации грунтовых вод в окрестности кольцевой контурной противофильтрационной завесы. Принятая для решения задачи модель
аналогична модели «планового потока» Н.М. Бернадского для открытых русел.
Решение выполнено в безразмерной форме и позволяет выполнить привязку к
любым условиям грунтового потока.
По результатам решения разработана методика расчета параметров движения грунтовых вод в окрестности противофильтрационной завесы. Расчетная
схема приведена на рис.1, а безразмерные параметры - в таблице.
Возведение такой завесы в грунте изменяет естественный режим движения грунтовых вод, причем эти изменения необходимо использовать для эффективного отвода транзитного потока грунтовых вод от места загрязнения и
при назначении биологических мер очистки загрязненных вод, в частности для
определения оптимального места расположения полей фильтрации.
Рисунок 1 - Расчетная схема с результатами расчета координат гидродинамической сетки и уклона свободной поверхности грунтового потока
11
Таблица - Координаты для построения сетки движения и уклона свободной
поверхности грунтовых вод в окрестности кольцевой противофильтрационной
завесы
yо
xо = 0
x
0
0,1
0,2
0,150
0,145
0,124
0,25 0,082
0,3 0,005
0,4
0
0,5
0
yо
0
0,1
0,2
x
0,320
0,319
0,312
0,25 0,306
0,3 0,303
0,4 0,301
0,5 0,300
x о = 0,1
y
J / Jo
x
0
0,037
0,085
0,142
0,260
0,390
0,500
x о = 0,3
3,0
2,34
1,35
0,44
0,57
0,87
1,00
0,190
0,186
0,169
0,140
0,110
0,100
0,100
y
J / Jo
x
0
0,081
0,174
0,231
0,290
0,398
0,500
1,28
1,16
0,96
0,86
0,88
0,96
1,00
0,408
0,406
0,404
0,403
0,402
0,400
0,400
x о = 0,2
J / Jo
x
2,25
1,80
1,08
0,54
0,66
0,89
1,00
0,250
0,245
0,229
0,214
0,204
0,200
0,200
y
J / Jo
x
y
J / Jo
0
0,095
0,195
0,247
0,250
0,400
0,500
1,05
1,02
0,99
0,98
0,99
1,00
1,00
0,500
0,500
0,500
0,500
0,500
0,500
0,500
0
0,100
0,200
0,250
0,300
0,400
0,500
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
y
0
0,048
0,114
0,180
0,268
0,392
0,500
x о = 0,4
y
0
0,063
0,145
0,209
0,281
0,395
0,500
x о = 0,5
J / Jo
1,68
1,41
0,95
0,69
0,78
0,92
1,00
Примечания:
1. xо , y о - начальные координаты ортогональной сетки для потока грунтовых
вод до возведения кольцевой противофильтрационной завесы;
2. x , y - координаты сетки движения потока грунтовых вод после возведения
кольцевой противофильтрационной завесы.
3. J / J o - отношение уклона свободной поверхности потока грунтовых вод после
возведения кольцевой противофильтрационной завесы J к первоначальному
уклону J o , принятому за единицу.
4. Радиус окружности кольцевой противофильтрационной завесы R= ( xо = y о =
0,15) с центром в точке с координатами xо = 0; y о =0.
Расположение полей фильтрации в зоне понижения уровня грунтовых вод
позволяет избежать затопления дренажа и улучшает водно-воздушный режим
почвы, активизируя биохимические процессы в корнеобитаемом слое, особенно
при кротовании или щелевании почвы.
12
Для выполнения моделирования фильтрации в грунтах разработан специальный стенд (рис.2), который обеспечивает возможность решать различные
задачи движения жидкостей в пористых средах с минимальными затратами на
проведение экспериментов.
Рисунок 2 - Стенд для моделирования фильтрации жидкости в пористой среде:
1 - моделируемый биологический пруд; 2 – фильтрующий слой (песчаный грунт в
основании биологического пруда); 3 – линии равных напоров (геометрического, пьезометрического и скоростного); 4 – линии тока
Применительно к биологическим прудам, в дополнение к моделированию, решена аналитическая задача движения загрязненного фильтрата при его
нагнетании в грунт, что позволило разработать схему работы биологического
фильтра на естественно залегающих грунтах.
В четвертой главе выполнена адаптация методов биологической очистки
вод и биотестирования к использованию в местах размещения свалок. Применительно к условиям Калининградской области с учетом обобщенного опыта и
результатов выполненных исследований разработана технологическая схема
биологической очистки фильтрата свалки (рис.3).
В районе свалки ТБО грунтовый поток 1 и поверхностный сток 2 отводят
посредством, соответственно, контурной противофильтрационной завесы 4 и
обводного канала 3. Атмосферные осадки с площади свалки 7 внутри контура
завесы 4 собирают материальным дренажем 5 и сборным каналом 6 в сборный
13
резервуар 9, откуда их мобильной насосной установкой 8 непосредственно после дождя подают в массив свалки по нагнетательной ветви 17 установки через
насадок-аэратор, а затем в первую секцию 10 биологических прудов.
Рисунок 3 – Принципиальная схема биологической очистки вод на свалке
ТБО
При подаче загрязненного фильтрата в секцию 10 производится нагнетание воздуха в течение первых 15-20 минут мобильной компрессорной установкой 16. По завершению последовательного прохождения секций 10, после проведения анализов на ХПК и БПК и биотестирования, вода может сбрасываться
непосредственно в канал 3, либо направляться через распределительный канал
11 на поля фильтрации 12, оборудованные материальным дренажем 13. Полосы
лесонасаждений 14 располагают по контуру свалки вдоль каналов по правилам, принятым в мелиорации.
Оставшаяся после очистки в биологических прудах органика на полях
фильтрации подвергается окислению микроорганизмами в процессах аммонификации и нитрификации. Для повышения плодородия почвы полей фильтрации используется сидерация с применением в качестве сидератов в подсевные
культуры – преимущественно многолистного люпина, в пожнивные – узко14
листного люпина, пелюшку, вику озимую и яровую, рапс озимый, горчицу, фацелию, редьку масличную и др. Наибольшее применение в качестве сидератов
находят бобовые культуры.
Экомониторинг для осуществления контроля за качеством очищенных
вод включает определение следующих параметров: прозрачность, рН, количество взвешенного вещества, химическая потребность в кислороде, полная биохимическая потребность в кислороде, коли-фаги, общие колиформные бактерии, яйца гельминтов. Состояние окружающей среды в окрестности свалки
определяется методами биотестирования с использованием в качестве тестобъектов различных гидробионтов – водорослей и ювенальных форм планктонных ракообразных – фильтраторов.
Наиболее полно негативное воздействие на экосистему отражают растения, которые в течение всей своей жизни привязаны к конкретной территории и
подвержены влиянию двух сред: почвенной и воздушной. В связи с этим, для
оценки качества среды двух свалок был выполнен биоиндикационный анализ
по известной методике (Шестакова, Стрельцов, Константинов, 1997), с использованием широко распространенных в Калининградской области популяций
березы бородавчатой (Betula pendula Roth), ольхи (Alnus glutinosa (L.) Gaertn.),
дуба обыкновенного черешчатого (Quercus robur L.) в качестве видабиоиндикатора. Сбор материала для биотестирования проводился на различных биотопах – в зоне разгрузки грунтовых вод, загрязненных на свалке ТБО и
на условно незагрязненном участке. Проведенная оценка качества среды по интегральной величине флуктуирующей асимметрии листовой пластины изучаемой выборки индикаторных организмов выявила реакцию древесной растительности на антропогенное воздействие – повышение асимметричности.
Таким образом, установлена принципиальная возможность использования для оценки загрязнения почв в окрестности свалки популяций березы повислой или бородавчатой (Betula pendula Roth), дуба обыкновенного черешчатого (Quercus robur L.), ольхи (Alnus glutinosa (L.) Gaertn.).
15
В пятой главе изложены разработанные на основании выполненных исследований рекомендации для проектирования мероприятий по отводу транзитных вод, локализации и сбору фильтрата для его последующей биологической очистки.
В песчаных грунтах при расположении первого водоносного горизонта на
глубине до 6 м по контуру свалки 5 (рис.4) возводят противофильтрационную
завесу 1, внутри которой оборудуют биологический пруд, разделенный противофильтрационными завесами 14 на отдельные секции 3. С внешней стороны
завесы 1 отрывают водоотводной канал 8, который оборудуют лотками, а вдоль
секций 3 – водопоглощающий канал 13 (без лотков). Гидронаблюдательные
скважины 7 располагают с внешней и внутренней стороны завесы 1.
Атмосферные осадки 6, получившие загрязнение при инфильтрации через
толщу отходов свалки 5 проникают в грунт внутри контура завесы 1, откуда
поступают в дренажные трубы 10 кольцевого дренажа и в трубу 2, из которой
подаются насосом в нагнетательную трубу 4 и дренажную трубу 10 первой секции 3 биологического пруда. Мобильной компрессорной установкой в течение
первых 15-20 минут после подачи фильтрата в пруд, в него подается воздух.
Рисунок 4 - Вертикальный разрез свалки отходов в направлении уклона грунтовых вод
Поверхностный сток отводится от свалки 5 по каналу 8, затем сбрасывается в грунт либо отводится в местный водоток. Грунтовый поток обтекает про16
тивофильтрационную завесу с внешней стороны и также как и поверхностный
сток не получает загрязнения в районе свалки. Уровень загрязненных вод внутри завесы 1 поддерживают ниже уровня грунтовых вод за контуром завесы, что
исключает переток загрязненных вод через завесу 1 (контроль за уровнями ведется по скважинам 7).
После очистки в секциях биологического пруда вода направляется на доочистку на поля фильтрации, из дренажной системы которой она отводится в
сборный канал и возвращается в природный круговорот. В зависимости от степени загрязнения фильтрата секции биологического пруда можно подключать в
работу последовательно или параллельно. В зимний период поля фильтрации
работают в режиме наморозки, для чего секции ограждаются валками высотой
0,3 – 0,5 м. После оттаивания намороженной массы и просачивания через почву
до начала вегетационного периода вода из сборного канала направляется в секции биологического пруда.
На стадии завершения эксплуатации свалки ТБО биологический пруд
устраивают на отсыпанной ее части. Отличительной особенностью этой технологической схемы по сравнению с вышеописанной является устройство первой
секции биологического пруда с гидрогеологическим окном, через которое загрязненный фильтрат частично возвращается в массив отходов, что позволяет
использовать поры отходов, как дополнительную емкость для размещения воды
особенно в дождливое время. Вторым отличием способа является подача воды
на рабочую часть свалки (для орошения) и в первую секцию пруда дождевальными аппаратами, что увеличивает расходную часть водного баланса за счет
повышенного испарения при дождевании. Мероприятия по отводу транзитного
поверхностного и грунтового потока те же, что и в первом способе, а фильтрат
из-под свалки отводится в водосборный колодец.
При залегании в основании свалки грунтов, содержащих глинистые частицы (супеси и суглинки) контурную противофильтрационную завесу создают, используя свойство грунтов существенно (на два порядка) уменьшать водопроницаемость в присутствии одновалентных катионов калия или натрия. Для
17
достижения этого, по контуру свалки 4 (рис. 5) устраивают замкнутые, концентрически расположенные законтурный 2 и контурный 3 каналы, причем канал 2
соединяют с отводным 1 каналом, а канал 3 сообщают с резервуаром 10 для
сбора фильтрата 5 при инфильтрации атмосферных осадков 6 через толщу
свалки 4.
Контурный канал оборудуют лотками с перфорированным дном и порогами для задержки осадков 6, в отсеки канала 3 насыпают соль, которая, растворяясь, проникает в грунт и формирует кольцевую замкнутую область 9, в
которой существенно понижена водопроницаемость. Транзитные грунтовые
воды обтекают завесу с внешней стороны и не загрязняются. Фильтрат, загрязненный на свалке, из колодца 12 направляется на биологическую очистку в
пруды.
Рисунок 5 - Способ создания контурной противофильтрационной завесы
В песчаных грунтах основания свалки, мощностью свыше 6 м, включающих водоносный горизонт, создается водозащитный экран под всей площадью,
отведенной для приемки отходов. Водозащитный экран создают через скважины путем поинтервального (6 – 7 интервалов) нагнетания в восходящем порядке с использованием в 2-3 нижних слоя растворов быстросхватывающегося вя18
жущего, а в верхних – раствора глины или сапропеля, что позволяет в 3-5 раз
уменьшить расход тампонажного раствора.
В аналогичных гидрогеологических условиях сбор загрязненного фильтрата можно осуществлять с помощью колодцев, располагаемых по контуру
свалки с автоматическим (с помощью сифона) отводом фильтрата в биологические пруды, расположенные на расстоянии, превышающем радиус влияния
ближайшего к прудам колодца.
Заключение
На основе выполненных исследований решена актуальная научная проблема, заключающаяся в разработке способов предотвращения загрязнения
транзитных поверхностных и грунтовых вод и биологической очистки фильтрата на свалках твердых бытовых отходов. Важнейшим экологическим аспектом предложенных способов является снижение экологической нагрузки на
биоту. Основные результаты работы:
1. Перспективные схемы биологической очистки загрязненных вод (фильтрата)
на свалках твердых бытовых отходов в естественных условиях включают предварительную механическую очистку при фильтрации в грунте и биологическую
очистку в секциях биопрудов и на полях фильтрации.
2. В секциях биологических прудов происходит деструкция органики фильтрата сапрофитными бактериями активного ила, утилизация биогенной части посредством комплекса водорослей, и обеззараживание за счет формирования
пищевых цепей, дальнейшая минерализация выполняется зоопланктоном и
высшей водной растительностью.
3. На полях фильтрации оставшаяся часть органики и некоторые продукты
жизнедеятельности бактерий подвергаются окислению микроорганизмами с
протеканием процессов аммонификации и нитрификации. Для повышения биогенности почвы рекомендуется применение сидерации.
19
4. Защита транзитных поверхностных и подземных вод от загрязнения обеспечивается на свалках путем их отвода с помощью каналов и противофильтрационных завес, возводимых по контуру свалки. Секции биологического пруда
следует располагать внутри завесы, а поля фильтрации - за контуром завесы в
направлении уклона свободной поверхности грунтового потока.
5. Для возведения контурных противофильтрационных завес и водозащитных
экранов на свалках твердых бытовых отходов рекомендуется использовать
донные отложения водоемов, получаемые в результате их экологического восстановления. Коэффициенты фильтрации донных отложений в среднем составляют 2,5·10-9 м/с, что соответствует этому показателю для глин.
6. Для определения места расположения полей фильтрации разработана методика расчета параметров движения грунтовых вод в окрестности противофильтрационной завесы, основанная на результатах аналитического решения.
7. При нагнетании фильтрата в грунт основания по контуру секции биологического пруда в центральной части секции отмечается зона с пониженными скоростями, где происходит механическое осаждение твердых частиц и анаэробных организмов, в результате чего формируется биофильтр на естественно залегающих грунтах.
8. Разработанная конструкция стенда для моделирования фильтрации жидкости в пористой среде позволяет сократить затраты при проведении научных исследований и может использоваться в учебном процессе.
9. Показана принципиальная возможность использования популяций березы
повислой или бородавчатой (Betula pendula Roth), дуба обыкновенного черешчатого (Quercus robur L.), ольхи (Alnus glutinosa (L.) Gaertn.) для проведения
оценки загрязнения окружающей среды в районах расположения свалок твердых бытовых отходов.
20
Основное содержание диссертации изложено в 23 работах. Перечень
наиболее значимых работ соискателя по теме диссертации:
Публикации в изданиях, утвержденных ВАК РФ:
1. Ахмедова Н.Р. Методика расчета параметров движения грунтовых вод в
окрестности противофильтрационной завесы. / Н.Р. Ахмедова, А.С. Ведяшкин // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки, 2009. - Вып.2. – С. 266 – 271.
2. Ведяшкин А.С. Разработка способа защиты грунтовых вод от загрязнения
в местах складирования твердых бытовых отходов/А.С.Ведяшкин, Н.Р.
Ахмедова // Вестник Томского государственного университета. – 2010. № 330. – С.200-201.
3. Пат. 2336206 РФ, МПК B 65 G 5/00. Способ защиты грунтовых вод от загрязнения /А.С. Ведяшкин, В.А. Наумов, Н.Р. Ахмедова (Россия); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное
учреждение высшего профессионального образования «Калининградский
государственный технический университет». - № 2007119208; Заявл.
23.05.2007; Опубл. 20.10.2008.
4. Пат. 2338835 РФ, МПК Е 02 В 3/16. Способ защиты грунтовых вод от
загрязнения /А.С. Ведяшкин, Н.Р. Ахмедова (Россия); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет». - № 2007115689; Заявл. 25.04.2007;
Опубл. 20.11.2008.
5. Пат. на полезную модель 88449 РФ, МПК G 01 N 15/00. Стенд для моделирования фильтрации жидкости в пористой среде /А.С. Ведяшкин, Н.Р.
Ахмедова (Россия); заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального
21
образования «Калининградский государственный технический университет». - № 2009120190; Заявл. 27.05.2009; Опубл. 10.11.2009.
Иные публикации:
6. Ведяшкин А.С. Фильтрационные характеристики грунтов / / А.С. Ведяшкин, Н.Р. Ахмедова // Особенности водохозяйственных проблем Калининградской области: сборник научных трудов / ФГОУ ВПО КГТУ. – Калининград, 2007. – С. 33-42.
7. Ахмедова Н.Р. К вопросу о загрязнении окружающей среды // Вестник
Российской академии естественных наук: сборник научных трудов ФГОУ
ВПО КГТУ и ЗНЦ НТ РАЕН / ФГОУ ВПО КГТУ. – Калининград, 2008. –
С. 96-100.
8. Ведяшкин А.С. Опыт защиты поверхностных и грунтовых вод от загрязнения / А.С. Ведяшкин, Н.Р. Ахмедова // Известия КГТУ. - Калининград:
ФГОУ ВПО «КГТУ», 2009. - № 15 – С.65 – 69.
9. Ведяшкин А.С. Оценка опытного определения коэффициентов
фильтрации грунтов / А.С. Ведяшкин, Н.Р. Ахмедова // Технич еские и другие виды обеспечения охраны государственной границы. Научно-методический сборник №25, ч.1, - Калининград, издво КПИ ФСБ России, 2009. – С. 97-101.
10. Ведяшкин А.С. Биологическая очистка вод на свалке твердых бытовых
отходов / А.С. Ведяшкин, Н.Р. Ахмедова // Известия КГТУ. - Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010. - № 17 – С.60 – 64.
Подписано к печати 17.05.2010 г. Заказ 340. Объем 1,5 п.л.
22
Бумага 60х84 (1/16). Тираж 120 экз.
_____________________________________________________________________________________
Издательство ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет». 236022, г.
Калининград, Советский проспект, 1.
23