МЕТОДОЛОГИЯ АНАЛИЗА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ  ОТХОДОВ


Е.В.Щербина профессор кафедры «Экологии ГСХ» к.т.н.

Московский государственный строительный университет

Аннотация.

Сформулировано и обосновано положение об образовании на территориях депонирования твердых бытовых отходов специфических природно-техногенных систем. Показано, что методология анализа жизненного цикла, как средство управления окружающей средой, служит основой проектирования полигонов ТБО, обеспечивающего экологическую безопасность этих объектов.

Города и особенно крупные промышленные агломерации служат мощными источниками техногенного воздействия на окружающую среду. Одним из техногенных факторов селитебного техногенеза, приводящим к развитию экзогенных геологических процессов на территориях городских поселений, является захоронение отходов производства и потребления на полигонах [1]. Только в Московской области на полигонах ежегодно размещается свыше 9 млн. тонн твердых бытовых отходов (ТБО), из них около 4,2 млн. тонн вывозятся из Москвы, действуют более 58 полигонов, общая площадь которых составляет более 750 гектаров, а площадь загрязнения земель в зоне их воздействия – 5 000 га [2]. Сложившуюся экологическую обстановку в Московском регионе резко обостряет и то обстоятельство, что около 80 процентов существующих полигонов по существу представляют свалки, т.к. были сформированы более 15 лет назад и размещены без учета природоохранных требований и инженерных мероприятий, направленных на охрану окружающей среды. Аналогичная ситуация, характеризующаяся негативными изменениями окружающей среды, отмечается и в других регионах РФ [2,3].  Следует отметить, что в системе управления отходами, захоронение ТБО на свалках и полигонах определено как один из самых распространенных способов их обезвреживания. Однако свалки и полигоны ТБО часто сами становятся источниками загрязнения окружающей среды, которые могут приводить к деградации ландшафтов, представляют угрозу для здоровья человека. Такое положение диктует необходимость разработки новых подходов и методологий в проектировании этих объектов, основанных на принципах геоэкологического проектирования [4].

Анализ влияния свалок и полигонов позволяет выделить следующие виды загрязнения – физическое, тепловое, химическое, микробиологическое, а в некоторых случаях радиоактивное. Физическое загрязнение обусловлено возможностью засорения близлежащей территории отходами и пылью, тепловое – изменением теплового режима геологической среды в результате повышения температуры в толще отходов, химическое — поступлением в окружающую среду химических соединений. Бактериальное загрязнение связано с развитием патогенных организмов.

В толще ТБО протекают процессы биохимического разложения органической составляющей ТБО, которые можно сравнить с работой «биологического реактора», в результате которых образуются биогаз и фильтрат, содержащий растворенные, взвешенные или осажденные токсичные  компоненты. В связи с тем, что компонентный состав ТБО усложняется, а в соответствии с действующими нормативными документами на полигоны ТБО допускается вывозить промышленные отходы III и IV классов опасности, токсичность фильтрата возрастает, в нем появляются компоненты, которые раньше отсутствовали. Перенос вредных веществ, образующихся в местах размещения отходов, происходит посредством взаимодействия зависимых и независимых друг от друга элементов экосистемы, что может быть проиллюстрировано схемой, приведенной на рис.1.

Рисунок 1. Схема движения токсичных веществ, производимых полигоном в элементах экосистемы.

Первыми техногенную нагрузку воспринимают неживые элементы экосистемы: атмосфера, гидросфера и литосфера. Затем токсичные вещества через почву, воду и воздух поступают в растения, микроорганизмы, организмы животных, птиц рыб и людей (зависимые элементы биосферы).  В результате этих воздействий происходит разрушение биотопов, распространенных на данной территории, отмечается исчезновение одних видов растений и животных и замещение их другими видами, при этом совсем не обязательно, что бы живые организмы находились в непосредственном контакте или близости со свалкой.

Весьма важным следствием этого способа обезвреживания отходов является то, что после вывода полигонов ТБО из эксплуатации и рекультивации свалок образуются новые природно-техногенные элементы литосферы, проявляющие аномальные свойства. Анализ результатов исследований состояния геологической среды в местах размещения полигонов ТБО и свалок, что эти территории испытывают существенные геофизические, геохимические и геодинамические воздействия, которые приводят к изменениям атмосферы и  геологической среды, выходящие далеко за границы санитарно-защитных зон [3,4,5].

Анализ ситуаций, сложившихся в местах размещения отходов, позволяет утверждать, что созданные в процессе техногенеза  или возникшие как его побочный продукт отходы производства и потребления – техногенные вещества, вывезенные на полигоны или выброшенные на свалки, образуют новую природно-техногенную систему. Поэтому решение вопросов размещения, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО следует осуществлять с позиций геоэкологического проектирования природно-техногенных систем, специально предназначенных для защиты среды обитания человека (природных или антропогенных ландшафтов) от негативных воздействий, требующих разработки специальных средств инженерной защиты. Одной из составляющих которой служат защитные экраны основания и поверхности карт складирования отходов, инженерные системы сбора и утилизации биогаза и фильтрата [6].

Для обеспечения экологической безопасности и реализации геоэкологического проектирования ПТС «Полигон», которое предусматривает включение инженерного сооружения, как техногенной составляющей в природную систему, либо в уже существующую природно-техногенную систему, необходимо определить свойства и выполнить анализ жизненного цикла этой системы.

Природно-техногенная система «Полигон» по своим свойствам относится к системам открытого типа, с присущим таким система свойством анаболизма, которое выражается в том, что поступающие в систему вещество и энергия – отходы, претерпевают сложные изменения, которые приводят к образованию более сложных компонентов: техногенных грунтов, биогаза и фильтрата. Как и в природных системах, функционирование ПТС «Полигон» зависит от цикличности годовых сезонов: состав ТБО, количество образования фильтрата определяются временем года.

Анализ функционирования ПТС «Полигон» позволяет установить, что она проявляет свойство эквифинальности. В ее жизненном цикле можно выделить, по меньшей мере, две точки критического состояния: первая – достижение проектного заполнения полигона отходами; вторая – завершение процесса минерализации отходов. Для полигонов, оборудованных защитными экранами,  важным моментом является точка отказа функциональной способности этих защитных систем. После достижения критических состояний система переходит в новую фазу жизненного цикла и продолжает свое развитие. Следуя принципу эмерджентности – свойства этой системы не есть сумма свойств составляющих ее подсистем (элементов).  Период эксплуатации полигона – это по существу «этап возведения» грунтового сооружения из техногенных материалов, в результате которого образуется новый природно-техногенный массив с присущими только ему свойствами, отличными от свойств отходов, как техногенной составляющей и природной геосферы, возможно измененной в результате антропогенного воздействия.

Места размещения отходов относятся к гетеротрофным антропогенным системам, полностью зависящим от поступления энергии. Энергетический источник таких систем это собственно отходы. Такая антропогенная система характеризуется развитием гетеротрофной сукцессии. Как показывают исследования в отходах, благодаря высокому содержанию в них органических веществ, протекают процессы анаэробного и аэробного разложения. Аэробные процессы развиваются в начальных стадиях размещения отходов и происходят в верхних слоях отходов. В результате аэробных процессов исходные органические элементы – углеводы, жиры и белки разлагаются на диоксид углерода и воду. Если процесс не закончен, то в качестве промежуточных продуктов могут образовываться промежуточные органические вещества.

В значительной толще отходов развиваются анаэробные процессы или осуществляется анаэробное дыхание, протекающие без участия газообразного кислорода. Толща отходов населена сапрофитами (бактерии, дрожжи, плесневые грибки, отдельные виды простейших). В результате анаэробных процессов первичные органические элементы разлагаются на диоксид углерода и метан, которые служат основными составляющими биогаза. Акцептором анаэробного процесса  являются кислоты, а не кислород. По данным некоторых исследований в толще отходов может протекать и процесс брожения.

Интенсивность основных процессов обмена между техногенной и природной составляющими системы послужили основой анализа и построения жизненного цикла ПТС «Полигон», в котором выделен пассивный и активный периоды. Пассивный период характеризуются незначительными потоками, или отсутствием обмена веществом и энергией между природной и техногенной составляющими системы. Активный период определяется наличием и развитием этих процессов. Активный период начинается с момента заполнения карт отходами. Длительность активного периода зависит от технологических процессов эксплуатации полигона, состава отходов, природно-климатических условий и других факторов. Завершение активного периода характеризуется прекращением процессов биохимического разложения в толще отходов. На рисунке 2 представлена принципиальная модель жизненного цикла ПТС «Полигон».

Рисунок 2. Модель жизненного цикла ПТС «Полигон»

Пассивный период.

Фаза 0. Проведение инженерных изысканий на стадии обоснования инвестиций в строительство и выполнение оценки существующего состояния окружающей среды, в результате которой необходимо  выявить:

—           характеристики состояния компонентов окружающей среды в районе предполагаемого размещения полигона;

—           виды, основные источники и интенсивность существующего техногенного воздействия в районе предполагаемого размещения полигона;

—           наличие природного геологического барьера, его протяженность, мощность и сорбционную емкость;

—           общую оценку пригодности территории для размещения полигона.

Обмен вещества и энергии между природной и техногенной составляющими системы отсутствует.

Окончание процесса обоснования инвестиций в строительство и проектирования. Начинается производство работ по возведению сооружений и технических систем полигона ТБО. На картах захоронения отходов устраивается защитный экран основания и технические системы сбора и обработки фильтрата.

Поступление вещества  и энергии в техногенную составляющую системы не происходит. Обмен вещества и энергии между природной и техногенной составляющими системы практически отсутствует.

Активный период.

Фаза I.

Фаза I.а Начало производства работ по возведению сооружений и технических систем инженерной защиты, строительство карт захоронения отходов. Устраивается защитный экран основания и технические системы сбора и обработки фильтрата. Проводится подготовка основания под скважины сбора биогаза.

Обмен вещества и энергии между природной и техногенной составляющими системы минимальны. Поступление вещества  и энергии в техногенную составляющую системы не происходит.

Фаза I.б Начало эксплуатации полигона. На этой фазе начинается заполнение карт отходами. Происходит начало (запуск) процессов биохимического разложения отходов.

Заполнение карт отходами – это начало регулярного поступления вещества и энергии в техногенную составляющую ПТС. В толще отходов повышается температура, начинается процесс образования биогаза и фильтрата.

Обратно в экосистему поступает энергия в виде тепла и биогаза.

Защитные экраны основания полигона включаются в работу, задействованы все их функциональные элементы инженерной защиты.

Длительность первой фазы определяется периодом наступления процесса активного метаногенеза, который оценивается в 2 – 5 лет от начала формирования аэробных условий.

Фаза II. Период эксплуатации полигона. Карты заполняются отходами в соответствии с регламентом до проектной отметки. Устраиваются промежуточные изоляционные слои, а в случае необходимости временный защитный экран поверхности полигона для сбора биогаза и минимизации количества фильтрата.

Фаза завершается достижением проектной высоты складирования отходов.

Процессы обмена характеризуются максимальным поступлением вещества и энергии в техногенную составляющую геотехнической системы, и максимальным обратным поступлением тепловой энергии и биогаза в природную составляющую. В соответствии с действующими нормативными документами длительность второй фазы жизненного цикла определяется периодом эксплуатации полигона ТБО, который составляет не менее 15 лет.

Фаза III.

Фаза IIIа. Начало рекультивации полигона. Отходы принимаются только на незакрытых очередях карты. Начинается устройство постоянного защитного экрана поверхности на закрытых участках (очередях) полигона.

Темпы поступления вещества и энергии в техногенную составляющую системы снижаются.

Сохраняется максимальный обмен веществом и энергией между техногенной и природной составляющими геотехнической системы.

Фаза IIIб. Прием отходов полностью прекращен. Проводятся работы по рекультивации. На оставшихся незакрытых участках устраивается защитный экран поверхности. Фаза завершается устройством защитного экрана и проведением рекультивации.

Поступление вещества и энергии в техногенную составляющую ПТС «Полигон» окончено. Интенсивность поступление тепла и  биогаза в природную составляющую системы сокращается. Длительность третьей фазы в зависимости от размеров полигона ТБО может составлять от 1 до 7 лет.

Пассивный период.

Фаза IV. Полигон закрыт.

Поступление вещества и энергии в техногенную составляющую ПТС отсутствует. Происходит доработка остаточного потенциала вещества и энергии, накопленного в период активной фазы ПТС «Полигон».

Поступление вещества и энергии в природную часть геотехнической системы снижается.

Завершение пассивного периода жизненного цикла характеризуется полной минерализацией отходов и формированием природно-техногенного грунтового массива. Длительность этой фазы зависит от мощности полигона ТБО (количества и состава размещенных отходов) и оценивается от 25 до 50 лет.

На этой фазе жизненного цикла происходит отказ функциональной способности защитных элементов и систем полигона, что связано с исчерпанием долговечности строительных материалов. Защитную функцию начинают выполнять только глиняные экраны и природные геологические барьеры. ПТС постепенно становится полностью открытой, не регулируемой, контактирующей со всеми геосферами. Завершение жизненного цикла характеризуется образованием нового природно-техногенного ландшафта.

Методология анализа жизненного цикла (АЖЦ) объектов активно используется в зарубежной практике строительства для оценки экологических последствий, связанных с ним, и нашла законодательное закрепление в документах международной организации по стандартизации ИСО (ISO – International Standard Organisation). В настоящее время ею разработан комплекс международных стандартов ИСО 1440 – 1449, посвященный теоретическим и практическим аспектам теории устойчивого развития и методологии анализа жизненного цикла, как инструмента ее реализации.

Анализ жизненного цикла, в соответствии с ИСО 1440, рассматривается как один из методов управления окружающей средой, который может быть основан на оценке риска возникновения чрезвычайных ситуаций и негативных последствий загрязнения окружающей среды, проведении экологического аудита. Систематизированные данные АЖЦ ПТС «Полигон», длительность его фаз позволяют сформулировать требования к элементам, строительным материалам и инженерной защите в целом, определить нагрузки и воздействия на инженерные конструкции и системы, что позволит на основе оценки эколого-экономической эффективности определить наиболее эффективный вариант инженерной защиты, направленной на обеспечение экологической безопасности.

В широком смысле информация, полученная при исследованиях АЖЗ, может и должна быть использована на различных уровнях проектирования (обоснование инвестиций, рабочее проектирование, обоснование технологии строительства и эксплуатации, рекультивации территории). Она необходима как для принятия решений на региональном уровне реализации процесса проектирования, что связано с выбором площадки размещения нового полигона ТБО или определения направления использования территории после вывода полигона из эксплуатации и проведении рекультивационных работ. Методология анализа жизненного цикла, как средство управления окружающей средой, служит основой проектирования полигонов ТБО, направленной на обеспечение экологической безопасности этих объектов.

Рис.1. Схема движения токсичных веществ, производимых полигоном ТБО в элементах экосистемы

 

Поделись:
  • Добавить ВКонтакте заметку об этой странице
  • Facebook
  • Twitter
  • В закладки Google
  • Яндекс.Закладки