Водных объектов в зоне влияния свалок



страница1/12
Дата11.10.2016
Размер2,69 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Государственное высшее учебное заведение «Приазовский государственный технический университет»

На правах рукописи


Михайленко Валерия Валериевна
УДК 504.03 / 628.3.03

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ СВАЛОК

ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ


21.06.01 – экологическая безопасность

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук
Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент

Капустин Алексей Евгеньевич

Харьков – 2016



Перечень условных обозначений...............................

4

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..

5

РАЗДЕЛ 1. СВАЛКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ. МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ И ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАТА…...

17

1.1. Свалки и полигоны твердых бытовых отходов, их влияние на окружающую среду ……………………………………………………….....

17

1.2. Способы переработки твердых бытовых отходов, их влияние на окружающую среду и здоровье человека ……………………………....

27

1.3. Фильтрат свалок и полигонов твердых бытовых отходов и способы его очистки …………………………………………………….......

33

1.4. Выводы по разделу 1 ……………………………………………...

50

РАЗДЕЛ 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТХОДОВ И ФИЛЬТРАТА СВАЛКИ …………………………………………………………………......

51

2.1. Методы отбора проб отходов, песка и воды ………………….....

51

2.2. Методы химического анализа исследуемых проб ……………....

53

2.3. Методы микробиологического и гельминтологического анализа …………….…………….…………….…………….………………..

56

2.4. Методы изучения процессов очистки фильтрата ………………..

60

2.5. Выводы по разделу 2 ………………………………………………

62

РАЗДЕЛ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРАТАСВАЛКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И ЕГО НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ ……………………………………………………......

63

3.1. Общая характеристика свалки твердых бытовых отходов ……..

63

3.2. Исследование просочившегося на поверхность фильтрата …….

73

3.3. Исследование подземных вод в районе свалки ………………….

85

3.4. Определение содержания загрязняющих веществ в жидкой фазе накопителя свалки твердых бытовых отходов ……………………....

94

3.5. Влияние фильтрата свалки твердых бытовых отходов на пляжи

99

3.6. Выводы по разделу 3 ……………………………………………...

111

РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ФИЛЬТРАТОМ СВАЛКИ ТБО ………………………………………….....

113

4.1. Снижение негативного воздействия свалки твердых бытовых отходов на водные объекты …………………………………………………

113

4.2. Анаэробное сбраживание фильтрата ……………………………..

115

4.3. Очистка жидкой фазы накопителя ……………………………….

125

4.4. Экономические расчеты экологического ущерба, наносимого фильтратом свалки твердых бытовых отходов водным объектам ……….

140


4.5. Выводы по разделу 4 ………………………………………………

144

ВЫВОДЫ ………………………………………………………………….....

146

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………......

148

Приложения ………………………………………………………………….

167

Перечень условных обозначений
БПК – биохимическое потребление кислорода.

ГВУЗ – государственное высшее учебное заведение.

ИК-спектрометрия – инфракрасная спектрометрия.

КОЕ – колониеобразующие единицы – показатель количества жизнеспособных микроорганизмов в единице объема.

ОМЧ – общее микробное число.

ПДК – предельно допустимая концентрация.

СДГ – слоистые двойные гидроксиды.

СПАВ – синтетические поверхностно-активные вещества.

ТБО – твёрдые бытовые отходы.

ХПК – химическое потребление кислорода.

URL – Uniform Resource Locator – унифицированный указатель <электронного> ресурса.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема твёрдых бытовых отходов (ТБО) в настоящее время становится всё более актуальной [1–7]. Рост населения и общее повышение уровня жизни привели к увеличению потребления товаров, что сильно сказалось на количестве ТБО. Практически во всех странах за последние десятилетия количество твёрдых бытовых отходов в виде городского мусора резко возросло [8, 9] и продолжает увеличиваться.

В мире на данный момент, помимо захоронения, используются достаточно большое количество разнообразных методов утилизации твердых бытовых отходов. В современной практике нашли промышленное применение следующие способы утилизации и переработки ТБО [3–10]:


  • захоронение на специальных полигонах; сортировка с извлечением тех или иных ценных компонентов для вторичного использования;

  • термическая обработка – сжигание, пиролиз;

  • биотермическое аэробное компостирование с получением удобрений или биотоплива;

  • анаэробная ферментация с получением биогаза и удобрений.

Из десятков методов обращения с ТБО за последнее десятилетие в мировой практике приобрели наибольшее распространение три. Один из них пассивный, представляющий собой захоронение ТБО на полигонах и свалках. Два других активные – сжигание и компостирование отходов.

Ежегодно на полигонах и свалках Земли накапливается около 400 млн. тонн твердых бытовых отходов [2, 9]. С одной стороны, полигоны – простые и дешевые сооружения, а с другой стороны, это сложная биохимическая система, которая имеет ряд экологических недостатков [11].

Накопление и захоронение отходов, прежде всего, ведет к значительным потерям природных, почвенных и водных ресурсов, возникновению необратимых процессов загрязнения окружающей среды и несет реальную угрозу здоровью населения.

При прохождении воды сквозь отходы образуется загрязненный фильтрат, в котором вместе с органическими остатками содержатся железо, ртуть, цинк, свинец и прочие металлы из поступающих на свалку жестяных изделий, батареек, электроприборов, а также красителями, пестицидами, моющими средствами и другими химическими соединениями.

Одним из основных путей переноса загрязняющих веществ с территории складирования отходов является распространение фильтрата и поверхностных вод, которые стекают с территории свалки во время осадков.

Метод очистки загрязненного фильтрата путем сбраживания в анаэробных условиях дает возможность решить несколько важнейших задач: устранить биологическое загрязнение, получить биогаз, а также позволяет контролировать сброс очищенных вод в поверхностные источники. Мезофильное анаэробное сбраживание–биологический процесс разложения органических веществ в жидкой фазе, который протекает в закрытых реакторах – метантенках. Жидкие осадки тщательно перемешиваются в анаэробных условиях при температуре, близкой к 35 °C. Обычно анаэробному сбраживанию подвергаются первичные или смешанные осадки с содержанием сухих веществ 40–80 кг/м3. Анаэробное сбраживание обеспечивает значительное снижение содержания органических веществ в осадках. Получение стабилизированных и частично обеззараженных осадков после обезвоживания способствует их долгому хранению и использованию в сельском хозяйстве; производству биогаза, состоящего из метана (65–70 %) и углекислого газа (25–35 %). Удельное количество получаемого биогаза составляет примерно 0,9–1,1 м3/кг разложенных органических веществ, а его теплотворная способность близка к 5,5·106 кал/м3 [12, 13].

Для очистки стоков и водоподготовки используются угольные или синтетические сорбенты. Однако они имеют ряд недостатков: поскольку регенерация сорбентов неэффективна, они либо одноразового использования, либо с трудом утилизируются, экономически нецелесообразны, при этом часто токсичны [14].

Кроме того, использование активированного угля ограничено его высокой стоимостью, а также длительным временем установления сорбционного равновесия. Слоистые двойные гидроксиды – наиболее распространенные глинные минералы со свойствами неорганических анионитов. Анионные глины представляют собой слоистые двойные гидроксиды различного состава.

Наличие основных кислотных центров Бренстедовского и Льюисовского типов делает возможным протекание процесса анионного обмена во внутреннем пространстве синтетических анионных глин. Использование слоистых двойных гидроксидов позволяет удалять из загрязненных вод, как катионы металлов, так и анионы одновременно [15].

Актуальность темы. Одними из источников загрязнения окружающей среды, в частности водных объектов, являются свалки твердых бытовых отходов (ТБО).

Фильтрат свалки ТБО представляет собой раствор, в котором содержание загрязняющих веществ существенно превышает предельно допустимые концентрации (ПДК), например, по сульфатам, железу, нитратам. Кроме того, фильтрат свалок ТБО содержит патогенные микроорганизмы, яйца гельминтов и представляет собой угрозу жизни и здоровью населения.

Фильтрат свалки твердых бытовых отходов г. Мариуполя, расположенной в прибрежной зоне р. Кальмиус, представляет собой экологическую опасность для водных объектов, поскольку загрязняет р. Кальмиус и Азовское море. Вследствие бесконтрольного попадания загрязненного фильтрата в реку и в грунтовые воды наносится ущерб водным объектам. Годовой экономический ущерб, определенный по «Методике расчета размеров возмещения убытков, причиненных государству вследствие нарушения законодательства об охране и рациональному использованию водных ресурсов», утвержденной Минприроды Украины от 10.12.2008 № 639, составил 401 тыс. грн.

В связи с этим перспективным и актуальным направлением является разработка мероприятий очистки фильтрата со свалки до показателей ниже норм ПДК для предотвращения загрязнения реки Кальмиус и Азовского моря. Их реализация позволит улучшить состояние окружающей среды и качество жизни людей.

На основе полученных данных о химических и биологических экологически небезопасных компонентах в фильтрате были предложены способы защиты водных объектов от фильтрата свалки г. Мариуполя.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена на кафедре химической технологии и инженерии ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет» в соответствии с Государственной программой «Охрана окружающей природной среды, использование природных ресурсов и обеспечение экологической безопасности» (1998) и научно-исследовательскими темами кафедры: «Разработка технологии очистки сбросных вод при помощи анионных углеродных сорбентов» (гос. регистрация 0107U008857), «Микробиологические методы переработки отходов» (0111U4447), «Корректировка и дополнения программы охраны и оздоровления окружающей среды» (0109U000794), «Экологическая оценка полигона ТБО» (0112U006369), «Технология обезвреживания стоков свалок» (0112U005786).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка способов очистки фильтрата полигона твердых бытовых отходов для предотвращения загрязнения реки Кальмиус и Азовского моря.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные теоретико-экспериментальные задачи:



  • получить и проанализировать данные относительно качественного и количественного состава мусора, накопленного на свалке;

  • исследовать подземные воды в районе расположения свалки и жидкую фазу накопителя по химическим и биологическим показателям;

  • теоретически обосновать негативное влияние свалки твердых бытовых отходов г. Мариуполя на реку Кальмиус Азовское море;

  • разработать математическую модель процесса анаэробной очистки фильтрата, просочившегося на поверхность около свалки ТБО;

  • усовершенствовать технологию очистки фильтрата накопителя от фенолов при помощи слоистых двойных гидроксидов и от железа с помощью оксида кальция;

  • разработать комплексные меры по предотвращению негативного влияния свалки на окружающую среду и повышению экологической безопасности водных объектов.

Исследования включают в себя определение концентраций химических веществ, микробиологических и паразитологических показателей, изучение кинетических закономерностей процессов сорбции и анаэробного сбраживания, разработку технологий очистки стоков полигона ТБО для предотвращения загрязнения водных объектов.

Для разработки эффективных способов очистки фильтрата были проведены исследования качественного и количественного состава, микробиологических характеристик фильтрата, который вышел на поверхность в зоне расположения свалки, подземных вод из скважин, пробуренных вокруг тела свалки, жидкой фазы накопителя, в который сбрасывается фильтрат со свалки.

Кроме того, было проведено исследование химического и биологического загрязнения пляжей города Мариуполя.

Объект исследования – экологически опасные процессы загрязнения водных объектов фильтратом со свалок твердых бытовых отходов на примере реки Кальмиуси Азовского моря.

Предмет исследования – повышение экологической безопасности водных объектов путем очистки фильтрата со свалок ТБО с использованием анаэробного процесса сбраживания и слоистых двойных гидроксидов.

Методы исследования. При выполнении исследований использовали гравиметрический и хроматографический методы.

Химический анализ фильтрата свалки ТБО и песка городских пляжей г. Мариуполя проводили рентгено-флуоресцентным методом на спектрометре ARL OPTIM'X.

Концентрацию железа, фторидов, фосфатов, роданидов, фенолов и химическое потребление кислорода определяли фотометрическим методом. Использовался также титриметрический метод для определения хлоридов. Концентрацию нефтепродуктов определяли методом ИК-спектрометрии, гравиметрическим и хроматографическим методом. Оценку эффективности анаэробного процесса для очистки фильтрата проводили кинетическим методом. Для определения микробиологических показателей использовали чашечный, бродильный метод, метод посевов на селективные среды, для гельминтологических исследований использовали метод Н.А. Романенко.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые:


  • получены результаты химического и биологического загрязнения грунтовых вод и фильтрата свалки твердых бытовых отходов г. Мариуполя;

  • установлена взаимосвязь негативного влияния фильтрата свалки ТБО на водные объекты и загрязнения песка пляжей г. Мариуполя;

  • теоретически обоснована закономерность и пути загрязнения Азовского моря возбудителем холеры, выявленным в фильтрате ТБО.

Кроме того, получило дальнейшее развитие теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности использования процесса анаэробного сбраживания для очистки фильтрата, вышедшего на поверхность около тела свалки, от биологического загрязнения.

Разработана математическая модель кинетики анаэробного сбраживания для очистки фильтрата свалки твердых бытовых отходов, установлены термические параметры процесса, обеспечивающие максимальную степень очистки.

Научно обоснованы и рассчитаны параметры процесса очистки для жидкой фазы накопителя от фенолов с использованием слоистых двойных гидроксидов как сорбентов и от ионов железа с применением оксида кальция.

Практическое значение полученных результатов. Усовершенствована технология очистки жидкой фазы накопителя. Предложенные технические решения приняты к проектированию и внедрению с целью повышения уровня экологической безопасности в зоне влияния свалки г. Мариуполя (акт внедрения от 18.12.2012, приложение А).

На основе разработанных технологических схем решается экологическая научно-прикладная проблема недопущения загрязнения реки Кальмиус и Азовского моря фильтратом свалки ТБО г. Мариуполя.



Личный вклад соискателя. Основные идеи, теоретические положения, результаты экспериментальных исследований, обобщения и выводы диссертационной работы принадлежат автору и его научному руководителю.

Соискателем сформулированы идеи, цель и задачи исследования для обеспечения экологической безопасности водных объектов от сточных вод полигона ТБО. Обоснованы методы теоретических и экспериментальных исследований. Разработаны научные положения, выводы и рекомендации для охраны поверхностных вод от антропогенных факторов. Предложены способы очистки жидкой фазы накопителя от органических и неорганических загрязняющих веществ.

В работе проведены исследования химического и биологического загрязнения фильтрата. Определены закономерности распределения концентраций загрязняющих веществ.

Впервые теоретически обоснована и экспериментально доказана связь между загрязнением песка пляжей г. Мариуполя и полигоном ТБО.

Проанализированы случаи заражения людей холерой летом 2011 г., определена зависимость между источниками заражения и полигоном твердых бытовых отходов.

Исследованы параметры процесса анаэробного сбраживания, его теоретическое описание на основе кинетических уравнений, построена кинетическая модель процесса.

Автором обоснована принципиальная возможность использования слоистых двойных гидроксидов для очистки жидкой фазы накопителя свалки твердых бытовых отходов, а также экспериментально исследована технология очистки фильтрата ТБО от солей железа физико-химическим методом.

Личный вклад соискателя в работах, написанных в соавторстве, состоит в следующем:



  • Исследование фильтрата по химическим и биологическим показателям:

Шавкун В.В. Уменьшение дренажных стоков с полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Вісник Приазовського державного технічного університету. Сер. Технічні науки. – 2012. – № 25. – С. 260-265;

Shavkun V. Azov Sea Contamination by Dump and Landfill / V. Shavkun, A. Kapustin, Y. Binkovsky // Int. J. of Sustainable Water and Environmental Systems. – 2012. – Vol. 4, № 1. – P. 67-72;

Shavkun V. Azov Sea contamination by Dumps and Landfills / A. Kapustin, V. Shavkun // 6th Dubrovnik Conference on Sustainable Development of Energy Water and Environment Systems, Dubrovnik, Croatia September 25–29, 2011. – P. 229-230;

Шавкун В.В. Исследование пруда-шламонакопителя на полигоне твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Инновационные пути модернизации базовых отраслей промышленности, энерго- и ресурсосбережение, охрана окружающей природной среды: сб. тр. I Межотраслевой науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 27–28 марта 2012 г., Харьков. – Х.: УкрГНТЦ «Энергосталь», 2012. – С. 498-501.



  • Теоретическое обоснование выбранных методов анализа фильтрата:

Шавкун В.В. Методы исследования полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Вісник Приазовського державного технічного університету. Сер.: Технічні науки. – 2012. – № 25. – С. 265-274.

  • Изучение процессов очистки фильтрата от фенолов и железа:

Шавкун В.В. Очистка отстойника полигона твердых бытовых отходов от фенолов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Э.О. Бутенко // Вісник НТУ «ХПІ». Сер.: Нові рішення в сучасних технологіях. –2013. – № 16 (989). – С. 122-128;

Михайленко В.В. Исследование процессов очистки отстойника полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Сер. Екологія: зб. наук. праць. – Х.: ХНУ ім. В.Н. Каразіна, 2014. – Вип. 11. – С. 96-100;

Shavkun V. Removal of Chemical and Biological Contaminants by LDH / A. Kapustin, V. Shavkun, E. Butenko // 6th Dubrovnik Conference on Sustainable Development of Energy Water and Environment Systems, Dubrovnik, Croatia September 2529, 2011. – P. 432-433.


  • Изучение кинетических закономерностей процесса очистки фильтрата от фенолов:

Шавкун В.В. Кинетические исследования процессов нейтрализации отстойника полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Э.О. Бутенко // Вісник Донецького національного університету. Сер. А: Природничі науки. – 2013. – № 2. – С. 164-167.

  • Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности технологии нейтрализации жидкой фазы отстойника от фенолов и солей железа, расчет соотношения компонентов:

Шавкун В.В. Технология нейтрализации отстойника полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Проблеми охорони навколишнього природного середовища та екологічної безпеки: зб. наук. пр. / Укр. НДІ екологічних проблем. – Х.: УкрНДІЕП, 2013. – № 35. – С. 92-101.

  • Изучение зависимости процесса анаэробного сбраживания фильтрата от температуры, определение оптимальных параметров процесса:

Шавкун В.В. Микробиологическая переработка ила в анаэробных условиях / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Известия ВУЗов. Прикладная химия и биотехнология. – 2012. – № 2 (3). – С. 81-85;

Шавкун В.В. Микробиологическое сбраживание ила / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення: зб. наук. ст. VIII міжнар. наук.-практ. конф., 10–14 вересня 2012 р., Алушта. – Х.: УкрНДІЕП, 2012. – С. 58-63.



  • Теоретическое обоснование влияния свалки ТБО на заражение людей холерой летом 2011 года:

Shavkun V. Identification of Cholera Source in Mariupol City / V. Shavkun, A. Kapustin // J. of Environmental Science and Engineering. – 2012. – P. 499-509.

Шавкун В.В. Загрязнение городских пляжей яйцами гельминтов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: зб. докл. XXI Всеукр. наук. конф. аспірантів і студентів, ДонНУ, ДонНТУ, 12–14 квітня 2011 р., Донецьк. – Донецк, 2011. – Т. 2. – С. 120-121;

Шавкун В.В. Биологические загрязнители в стоках полигона твердых бытовых отходов/В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: зб. докл. XXI Всеукр. наук. конф. аспірантів і студентів, ДонНУ, ДонНТУ, м. Донецьк, 12–14 квітня 2011 р. – Донецк, 2011. – Т. 2. – С. 166-167.



  • Обоснования эффективности методов повышения уровня экологической безопасности водных объектов в зоне влияния свалки ТБО:

Капустин А.Е. Предотвращение сброса токсичных стоков в Азовское море с использованием анаэробных процессов / А.Е. Капустин, В.В. Шавкун // Природно-ресурсний потенціал збалансованого (сталого) розвитку України: матер. міжнар. конф. 19–20 квітня 2011 р., Київ. – К., 2011. – Т. 2. – С. 385-389;

Михайленко В.В. Ликвидация загрязнения водных объектов стоками полигона твердых бытовых отходов/ В.В. Михайленко, А.Е. Капустин // Поводження з відходами в Україні: законодавство, економіка, технології: матер. національного форуму, м. Луганськ , 24–25 жовтня 2013 р. – К.: Центр екологічної освіти та інформації, 2013. – С. 63-66.



  • Изучение влияния фильтрата свалки ТБО на загрязнение реки Кальмиус и Азовского моря:

Шавкун В.В. Влияние стоков полигона твердых бытовых отходов на Азовское море отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Инновационные пути модернизации базовых отраслей промышленности, энерго- и ресурсосбережение, охрана окружающей природной среды: сб. тр. I Межотрасл. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 27–28 марта 2012 г., Харьков. – Х.: УкрГНТЦ «Энергосталь», 2012. – С. 502-510;

Шавкун В.В. Полигон ТБО г. Мариуполя: морфологический состав отходов и характеристики фильтрата / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Сотрудничество для решения проблемы отходов [Електронний ресурс]: матер. IX междунар. конф. «WasteECo-2012». – 2012. – С. 26. – URL: http://waste.ua/eco/2012/municipal-waste/mariupol/;

Михайленко В.В. Исследование фильтрата полигона твердых бытовых отходов г. Мариуполя / В.В. Михайленко, А.Е. Капустин // Екологія. Людина. Суспільство: матер. XVI міжнарод. наук.-практ. конф. студентів, аспірантів і молодих учених, 17–19 травня 2013 р., Київ. – К.: НТУУ «КПІ», 2013. – С. 51-52.



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница