Мониторинг тепловых полей и оценка миграции свалочных газов на полигоне твёрдых бытовых отходов «Хметьево» (Московская область)

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 620. 9:621. 798- 620. 9:658. 286: 502. 171
Комаров А. В., Лопатин В. В., Жуков В. В.
МОНИТОРИНГ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ И ОЦЕНКА МИГРАЦИИ СВАЛОЧНЫХ ГАЗОВ НА ПОЛИГОНЕ ТВЁРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ «ХМЕТЬЕВО» (МОСКОВСКАЯ ОБЛАСТЬ)
В статье рассматриваются проблемы, связанные с практикой эксплуатации твёрдых бытовых отходов и аварийными чрезвычайными ситуациями, происходящими на полигонах хранения твёрдых бытовых отходов, оказывающих воздействие на окружающую среду и деятельность человека. Показана необходимость разработки не только природоохранных мероприятий, но и планов реагирования при возникновении ситуаций, представляющих угрозу для человеческих жизней, окружающей среды или материальных ценностей в соответствии с положениями единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций.
Ключевые слова: твёрдые бытовые отходы, полигон, миграция, свалочный газ, тепловое поле, пожаро-взрывоопасность.
A. Komarov, V. Lopatin, V. Jukov
MONITORING OF THE HEAT FIELDS AND ASSESSMENT OF THE LANDFILL GAS MIGRATION ON THE SOLID DOMESTIC WASTES POLYGON & quot-KHEMETEVO"- (MOSCOW REGION)
The article views the topical issues connected with practice of operation of the solid domestic wastes and the emergency situations at the polygons affecting an environment and human activity. The authors of the article present the necessity of development nature protection actions and also plan of reaction in the situations representing a threat for human lives, environments or material assets according to positions of uniform state system of prevention and response to emergency situations.
Keywords: solid domestic waste, polygon, migration, landfill gas, heat field, fire and explosion hazard.
В толще твёрдых бытовых отходов (далее по тексту — ТБО) интенсивно выделяется тепло от биохимических процессов распада органики в процессе окисления кислородом. Появляются тепловые аномалии на поверхности и в толще отходов, приводя к тлению, а затем и возгоранию ТБО. Кроме этого, имеется ещё ряд факторов, который влияет на состояние полигонов хранения ТБО: отражающая способность, мощность снегового покрова, характер растительности, состав, влажность, плотность ТБО, метеорологические условия [2−6]. Когда отходы уплотнены или перекрыты грунтом при рекультивации, это приводит к анаэробному разложению и тепла выделяется меньше. Помимо загрязнения окружающей среды (далее по тексту — ОС), возникает пожаро-взрывоопасность при эксплуатации полигонов ТБО.
Проблема предотвращения самовозгорания ТБО и тушения пожаров является одной из наиболее крупных и актуальных в жизни и производственной деятельности густонаселённых промышленных районов Московского региона. Решение этой проблемы обеспечивает повышение безопасности полигонов ТБО, существенно уменьшает количество сложных и опасных аварий на объектах хране-
ния, предотвращает большие материальные убытки и резко уменьшает загрязнение окружающей техногенной и природной среды [2−9].
Одним из ключевых моментов стратегии экологической безопасности Российской Федерации и гражданской защиты особо опасных объектов сегодня является предотвращение загрязнения природной среды отходами производства и потребления [2−9]. Во многих случаях возрастающее количество твёрдых бытовых отходов представляет угрозу экологической безопасности городов и мегаполисов, устойчивости сложившихся природно-технических систем [11]. Такое положение заставляет искать и использовать новые решения, направленные на управление процессом утилизации ТБО и снижение их вредного воздействия на окружающую природную среду [10].
В связи с этим повышение пожарной безопасности и взрывоопасности полигонов ТБО приобретает приоритетное значение в системе утилизации и рекультивации отходов.
При разработке полигонов наиболее масштабным изменениям в количественном и качественном смысле подвергаются различные геосферные оболочки Земли и, главным образом, литосфера, часть материала которой извлекается на поверхность и включается в круговорот вещества и энергии вне внутренне равновесной системы самой литосферы, порождая все виды экологических последствий. Поэтому обеспечение геоэкологической безопасности при освоении недр связано с закономерностями изменения свойств природных объектов литосферы при техногенном вторжении в них для получения минерального сырья и определением условий экологически безопасного включения выданного из литосферы вещества в природно-технические системы освоения недр [3, 5, 6].
В состав зоны геоэкологических изменений (техногенно изменённых недр) входят участки полного нарушения первоначального состояния участка (объёма) одной из основных геосферных оболочек планеты — литосферы, вплоть до его изъятия из её состава. Это — объём техногенного поражения литосферы. Вокруг этого объёма формируется пространство, в пределах которого материал литосферы сохраняет своё агрегатное состояние, но меняет механические свойства (плотность, трещиноватость, напряженно-деформированное состояние) [8, 9].
Полигон твёрдых бытовых отходов предназначен для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения ТБО, предотвращения попадания вредных веществ в окружающую природную среду, загрязнения атмосферы, почвы, фунтов, поверхностных и подземных вод [10]. Полигон ТБО представляет комплекс природоохранных сооружений, среди которых основными служат карты для захоронения отходов. Защитные экраны поверхности и основания карт полигона, как строительные конструкции полигона, обеспечивают основную природоохранную функцию, как в процессе эксплуатации полигона, так и после его закрытия. От конструкций защитных экранов существенным образом зависит степень загрязнения атмосферы, геосферы и гидросферы, т. е. конструкции защитных экранов во многом определяют состояние окружающей природной среды и экологическую безопасность полигона ТБО [11].
Работа, посвящённая исследованию и разработке системы мониторинга тепловых полей и прогноза миграции свалочного газа в пределах полигонов ТБО, актуальна, своевременна и имеет большое практическое значение [6, 7].
Для качественного прогноза этих явлений и определения направления и масштаба движения внутренних и открытых возгораний в теле полигона ТБО и на территориях, затрагивающих ближай-
шие населённые пункты и важные производственные объекты, проведены натурные обследования на предмет выявления тепловых аномалий полигона ТБО «Хметьево» (Солнечногорский района) — одного из крупнейших полигонов ТБО в Московской области [1].
Основой разработки методов мониторинга и прогноза является описание видимого среза массива ТБО (морфологический состав, тип складирования — россыпь или тюки, характер уплотнения), определение очагов тления при наличии [2−9].
Система наблюдений [5, 9] сводится к замерам температуры несколько раз в день ежеквартально (в течение 4 лет, 15 циклов по 21 наблюдению) в поверхностном слое ТБО (в т. ч. рекультивированных, экранированных) и санитарно-защитных зонах (далее по тексту — СЗЗ) в специальных шурфах (до 1 м глубиной) — термометрами и скважинах — полупроводниковыми термодатчиками. Сеть мониторных точек наблюдений и замеров приближена к квадратной — 25−50×25−50 м (в зависимости от формы котлована) с разряжением на площадях разгрузки свежих отходов, очагов тления. Заранее определялось фоновое содержание газов в приземном слое атмосферы (на высоте 1 м над дневной поверхностью).
В ходе эксперимента проводилось оконтуривание тепловых полей на топографических картах местности расположения полигона ТБО «Хметьево» изотермами с шагом 0,1°С для разных глубин: на дневной поверхности, глубине 2,5 м и далее с шагом 2,5 м (до глубины 25 м, далее с шагом 5 м, если глубина скважины больше 25 м по достижении естественного глинистого барьера). Шаг обследования мог меняться в зависимости от геотермического градиента и стабильности температурных режимов. Всего на полигоне было сделано 1300 замеров температур, в т. ч. в специально организованных для сбора свалочных газов скважинах — 180. Объёмы накопления и эмиссии свалочных газов в окружающей среде, их химический состав зависят от геолого-гидрогеологических условий территории, особенностей эксплуатации полигона, состава ТБО, активности аэробных и анаэробных бактерий в разложении органики. Расчёт объёмов проводят, исходя из того, что газообильность ТБО составляет в среднем 200 м³ свалочных газов за весь срок разложения, в т. ч. из объёмов захваченного воздуха 40−80% захваченного из атмосферы азота, 1−15% кислорода, десятые доли % водорода- основные продукты разложения — до 30% оксида углерода, 70% метана, десятые доли аммиака, сероводорода, оксида углерода, хлорорганических соединений, аэрозолей, тяжёлых углеводородов, паров ртути, тяжёлых металлов. Большинство свалочных газов токсичны, но метан ещё и пожаро- и взрывоопасен в зависимости от концентрации в среде (атмосфера, почва). При концентрировании до 5,5−14,9% происходит взрыв (особенно часто при 9,5%), что возможно при экранировании и рекультивации ТБО. При попадании в атмосферу газ естественно разбавляется. До 5,35% в воздухе метан сгорает, выделяя дополнительное тепло. Если в воздухе, помимо метана, есть водород, угарный газ, сероводород, воспламенение происходит мгновенно. Кроме того, метан — парниковый газ. Состав воздуха определялся шахтным интерферометром на предмет концентраций гелия, водорода, кислорода, диоксида углерода, азота, метана и тяжёлых углеводородов (этана, этилена, пропана, пропилена, изобутана, бутана, бутилена, изопентана, пентана, гексана). Содержание этана в воздухе в количестве 3,2−12,5% приводит к взрыву, пропана — 2,3−9,5%.
Для оценки токсичного действия на человека определяют эффект суммации смеси газов (например: этилен, пропилен, бутилен) при нарушении закономерности: сумма отношений С1/ПДК1 + … + Сн/ПДКн не должна превышать 1, где С1… Сн — концентрации 1. н-ых газов, измеряемые в мг газа на м3 воздуха.
По результатам наблюдений составляются карты пожароопасности на полигоне с изолиниями содержания метана в почвенном воздухе (%): зона малоопасная — не более 2,7- опасная — более 2,7. Аналогично составляются карты по содержанию сумм газов: этилен+пропилен+бутилен, пен-тан+гексан- карты загрязнения диоксидом углерода атмосферного воздуха (%): зона слабо загрязнённая — менее 4,1- загрязнённая — 4,1−14,5- сильно загрязнённая — более 14,5- карта загрязнения оксидом углерода, мг газа в м3 воздуха: зона слабо загрязнённая — не более 3- сильно загрязнённая — более 3.
На полигоне ТБО «Хметьево» был проведён экспресс-анализ проб в 121 точках замера: на метан и тяжёлые углеводороды — 62 в почвенном воздухе, оксид, диоксид углерода в атмосферном воздухе — 8. Оказались пожароопасны южная, юго-западная, северная, северо-восточная зоны полигона. В 53 точках замера обнаружен приток метана в пожароопасных концентрациях. В силу того, что сеть наблюдений оказалась не равномерной, предположено, что 50% территории полигона пожароопасна по метану, северо-восточная зона — по оксиду, диоксиду углерода, пентана, гексана, этилена, пропилена, бутилена. На площади 5,3 га территории полигона наблюдались: интенсивное окисление органики ТБО, связанное с высокими концентрациями диоксида углерода- неполное окисление — оксида углерода- анаэробное разложение — углеводородов.
Остальная часть полигона была отмечена фактически чистой. Только в 2 из 100 наблюдательных точках наблюдалось сильное загрязнение воздуха диоксидом углерода, в 15 из 100 — среднее, поэтому 83% территории оказались чистыми, кроме северо-восточной зоны. В пробах атмосферного воздуха оказалось малое содержание искомых газов. Так как увеличение плотности ТБО приводит к уменьшению притока кислорода для окисления органики ТБО, в россыпных ТБО чаще возникали тепловые аномалии. Температура ТБО на глубине 0,5 м достигала +25−45° С при окружающей +10−12° С, на вершинах уступов — до 70° С. Были обнаружены очаги тления и горения. Зимой (окружающая температура +1−2° С) температура ТБО упала до +5° С, на вершинах — до 45° С. Когда котлован был рекультивирован, температура ТБО упала до +10−20° С в летний сезон. Очаги тления и горения прекратились. Осталась тепловая аномалия радиусом 130−170 м с температурой ТБО +24−40°С.
Новые способы профилактики самовозгорания отходов и тушения горящих породных отвалов достаточно простые, надёжные и малозатратные. Для их крайне необходимого и повсеместного внедрения в районах формирования полигонов ТБО не требуется создания какого-либо специального оборудования и машин. Уже есть весь комплекс серийно выпускаемых машин, изделий, приборов для технического оснащения установок профилактики самовозгорания пород и тушения горящих отвалов (электродвигатели, насосы, вакуумнасосы, трубы). В качестве веществ-ингибиторов представляется возможность использовать отходы ряда отраслей промышленности. Сооружение промышленных установок вполне посильно даже структурным подразделениям действующих полигонов хранения отходов. Использование новых способов во многом предопределяет успех озеленения породных отвалов и оздоровления окружающей природной среды.
В силу кризисного состояния народного хозяйства в последнее десятилетие использование новых способов и технологий профилактики самовозгорания и тушения горящих отвалов практически прекращено (главным образом из-за причин финансового и социального характера). В последующие годы при нормальных экономических условиях значимость этих способов остается неизменной, а необходимость их использования будет непременно возрастать.
В составе комплекса мероприятий по подготовке к защите и по защите населения, окружающей среды, материальных и культурных ценностей от чрезвычайных ситуаций (далее по тексту — ЧС) природного и техногенного характера гражданской обороны (далее по тексту — ГО) потенциальные источники ЧС геоэкологического происхождения не акцентируются. Особенно это касается формирования полигонов хранения ТБО, число ЧС, пострадавших в них, ущерб и неопределённость отдалённых последствий от которых неуклонно растут.
Практика эксплуатации полигонов ТБО и аварии, происходящие на карьерах в местах складирования отходов, оказываемое воздействие на окружающую среду и человека показывают необходимость разработки не только природоохранных мероприятий, но и планов реагирования при возникновении ситуаций, представляющих угрозу для человеческих жизней, окружающей среды или материальных ценностей в соответствии с положениями единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (далее по тексту — РСЧС) [3].
Литература
1. Грибанова Л. П. Комплексное изучение территории полигонов ТБО Московской области и составление прогнозов изменения геологической среды. М. МНПЦ «Геоцентр -Москва». 1992. 126 с.
2. Комаров А. В. Меры по охране окружающей природной среды в проекте горного предприятия // Материалы научн. -практ. конф. «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы» //15−17 апреля 2008. РГГРУ. М.: 2008. С. 185−186.
3. Комаров А. В. Гражданская защита объектов геологоразведочных и горных работ. // М.: РГГРУ, 2010. -
165 с.
4. Комаров А. В. Особенности мониторинга месторождений при ликвидации или консервации объектов недропользования // Материалы научн. -практ. конф. «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы» //15−17 апреля 2008. РГГРУ. М.: 2008. С. 191−192.
5. Комаров А. В. Система обеспечения экологической безопасности на месторождениях твёрдых полезных ископаемых (МТПИ) // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. Химки: АГЗ МЧС России. 2009. — Спец. вып. № 2. — С. 42−52.
6. Комаров А. В., Лопатин В. В. Геоэкологический мониторинг в освоении недр // Материалы V Межд. научн. -практ. конф. «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых». 4−6 апреля 2006 г. РАЕН, РГГРУ, М., 2006. С. 129.
7. Комаров А. В., Лопатин В. В., Петров Ю. В. Геоэкологический мониторинг в освоении месторождений полезных ископаемых // Материалы II Межд. симп. «Геотехнологии: скважинные способы освоения месторождений полезных ископаемых». 11−14 окт. 2005, М., РАН, 2005, С. 148−151.
8. Комаров А. В., Мирмович Э. Г. Гражданская защита в обеспечении экологической безопасности недропользования // Материалы VI научн. -практ. конф. «Совершенствование гражданской обороны в Российской Федерации» 01 октября 2009 г. ЦСИ МЧС России. М.: 2009. С. 194−199.
9. Комаров А. В., Мирмович Э. Г., Находкин Н. А. Мониторинг и обеспечение экологической безопасности недропользования // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2012): Сб. научных статей 1Х-й Межд. научно-техн. конф. Том II. — Уфа: УГАТУ, 2012. С. 149−166.
10. Теличенко В. И., Потапов А. Д., Щербина Е. В. О теоретических основах проектирования современных полигонов ТБО (твёрдых бытовых отходов). // Известия вузов, 2000 г.
11. Щербина Е. В., Заволоко Л. М., Потапов П. А., Казаков М. М. Новые подходы к решению проблемы управления отходами. // Известия академии промышленной экологии, 1998. — № 2. — С. 57−59.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой