Автореферат и диссертация по медицине (14.02.01) на тему:Санитарно-гигиенический мониторинг полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) на этапах жизненного цикла
- Ученая степень
- доктора медицинских наук
- ВАК РФ
- 14.02.01
Автореферат диссертации по медицине на тему Санитарно-гигиенический мониторинг полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) на этапах жизненного цикла
ЗОМАРЕВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ
САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ (ТБО) НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук
14.02.01 - гигиена
- С ЛЕН 2010
ПЕРМЬ 2010
004616007
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»
Научный консультант:
Доктор медицинских наук, профессор
Вайсман Яков Иосифович
Официальные оппоненты:
Доктор медицинских наук, член-корр. РАМН, профессор
Доктор медицинских наук, академик РАМН, профессор
Доктор медицинских наук, член-корр. РАН, профессор
Д емаков Виталий Алексеевич
Зайцева Нина Владимировна
Русаков Николай Васильевич
Ведущая организация: 1-й Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова
Защита состоится «23» декабря 2010 года в 10.00 час на заседании диссертационного совета Д 208.067.04, созданного при ГОУ ВПО «Пермская государственная медицинская академия им. ак. Е.А.Вагнера», по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Петропавловская, 26.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пермская государственная медицинская академия им. ак. Е.А.Вагнера» и с авторефератом на сайте www.vak.ed.gov.ru.
Автореферат разослал «_» _2010 года.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор медицинских наук, профессор Сандакова Елена Анатольевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения, проживающего на территориях, прилегающих к полигонам захоронения твердых бытовых отаодов (ТБО), является одной из крупных нерешенных санитарно-гигиенических и социальных проблем.
На полигонах ТБО в течение длительного времени протекают сложные многостадийные процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями биогаза, образованием фильтрационных вод, загрязнением почв токсичными органическими и неорганическими примесями II.В. Русаков, 1994-2009; Н.Ф. Абрамов, 1998; Я.И. Вайсман, 2001; В.Н. Коротаев,2001; Р.Вгиппег.1995; М. Barlaz, 1990; X. Нам, 1989. Складирование отходов коммунального хозяйства, медицинских учреждений создает эпидемиологическую опасность объектов захоронения.
Применяемые в настоящее время технологии депонирования ТБО не гарантируют необходимый уровень санитарно-гигиенической безопасности полигонов для населения прилегающих территорий и объектов окружающей среды. Эффективное управление санитарной ситуацией на полигонах ТБО и прилегающих территориях, проведение оптимальных инженерных мероприятий, направленных на снижение нагрузки на население и окружающую среду возможно при получении адекватной информации о состоянии этих объектов и принятия необходимых управленческих воздействий.
В целях обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия населения, устранения вредного влияния среды обитания человека на его здоровье в России с 1994 г. проводится социально-гигиенический мониторинг (СГМ), сбор и анализ данных о состоянии окружающей среды и ее влияния на здоровье и санитарные условия жизни населения. Основные принципы и методические подходы по реализации СГМ разработаны достаточно полно (Г.Г. Оншценко, 2000-2009; А.И. Потапов и соавт., 1995-2002; Ю.А. Рахманип, 2007; Н.В. Зайцева и соавт., 1994-2009 и др.). Вместе с тем, как свидетельствует санитарная практика и результаты исследований Н.В. Русакова, 19952009; Н.Ф. Абрамова, 2002; Я.И.Вайсмана, 1999-2003; А.П. Щербо, 1999; A.C. Матросова A.C., 2006, и др., методические вопросы организации наблюдений и контроля санитарно-гигиенической ситуации на полигонах ТБО и в зонах их влияния разработаны недостаточно. Используемая в на-
стоящее время в практике ведения мониторинга полигонов захоронения ТБО и зон их возможного влияния методическая база не позволяет в полной мере учитывать их специфические особенности как объектов повышенной санитарной опасности с меняющимся во времени комплексным загрязняющим воздействием на различных этапах их жизненного цикла. Недостаточно полно используются современные информационные технологии, позволяющие, в частности, на основе создания информационно-аналитических систем (ИАС) получать адекватную информацию в ходе ведения СГМ для повышения эффективности надзорной деятельности и научного анализа факторов среды обитания, влияющих на здоровье и условия жизни населения. В этой связи, актуальна проблема разработки системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО, как составной части СГМ, основанной на современных методических подходах и учитывающая специфические особенности этих объектов.
Решение проблемы сдерживает отсутствие адекватных методических подходов к комплексной санитарно-гигиенической оценке воздействия полигонов захоронения ТБО на объекты окружающей среды, а также результатов репрезентативных исследований их состояния по физико-химическим и микробиологическим показателям с учетом этапов жизненного цикла.
Отличительными особенностями функционирования полигона захоронения ТБО являются длительность его жизненного цикла и изменение количественных и качественных характеристик эмиссий загрязняющих веществ в процессе деструкции отходов и ассимиляции получаемых при этом конечных продуктов в окружающей среде. С учетом этого санитарно-гигиенический мониторинг должен базироваться с одной стороны на регулярных аналитических исследованиях объектов окружающей среды в зоне влияния полигона, с другой стороны - на прогнозных оценках изменения объема и состава эмиссий загрязняющих веществ. Применяемые в настоящее время методики расчета эмиссий биогаза, объема и состава образующихся фильтрационных вод (ФВ) не учитывают стадии жизненного цикла полигона захоронения ТБО, биохимические механизмы деструкции отходов и часто не адекватны реальным условиям.
Недостаточно полно разработана методология обоснования и внедрения комплекса мероприятий по обеспечению санитарно-гигиенической безопасности полигонов ТБО и прилегающих
территорий. В связи с этим актуально решение задачи обоснования принципов безопасного захо ронения отходов и разработки критериев выбора оптимального комплекса инженерных и технических мероприятий по обеспечению гигиенических нормативов в зоне воздействия полигонов ТЕО.
Таким образом, недостаточность научно-методического и критериального обоснования санитарно-гигиенической оценки риска воздействия полигона захоронения ТБО (складируемые отходы, биогаз, фильтрационные воды; функциональные структуры микробных популяций депонированных ТБО, фильтрационных вод и донных отложений наземных скоплений фильтрата, деструкти-рующих органические фракции ТБО) на население и объекты окружающей среды; необходимость совершенствования методологии выбора инженерно-технических решений по обеспечению гигиенических нормативов, оценки их эффективности с учетом этапов жизненного цикла; а также возросшие требования к совершенствованию информационных систем сбора и обработки результатов наблюдений обусловили актуальность, определили цель и задачи исследования.
Цель исследования: научно-методическое и критериальное обоснование системы санитарно-гигиенического мониторинга и механизма реализации оптимального комплекса инженерно-технических мер на этапах ягизяенного цикла полигонов захоронения ТБО.
Задачи исследования:
1. Теоретический анализ процессов деструкции ТБО, формирования эмиссий загрязнений и их воздействий на объекты окружающей среды (атмосферный воздух, объекты гидросферы, почвы) в зоне влияния полигона ТБО.
2. Комплексное, углублённое исследование полигонов захоронения ТБО г.Перми и Пермского края по выявлению особенностей санитарно-гигиенического состояния на этапах жизненного цикла, определению приоритетных показателей, являющихся критериями оценки факторов риска воздействия полигонов на объекты окружающей среды и условия проживания населения.
3. Оценка видовой структуры микробиоценозов, соответствующих этапам жизненного цикла полигона ТБО, установление индикаторных микробиологических показателей, как дополнительных критериев оценки санитарно-гигиенического состояния объектов депонирования ТБО.
4. На основе биохимической модели деструкции отходов построение математических моде-
лей формирования эмиссий загрязняющих веществ на полигоне ТБО и разработка методологии их использования для диагностики и прогнозирования санитарно-гигиенической ситуации на полигонах ТБО при проведении диагностического мониторинга (параметрический прогнозный блок).
5. Теоретическое обоснование выбора оптимального комплекса инженерно-технических решений, направленных на снижение санитарно-гигиенической опасности эмиссий полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла (отведение и очистка фильтрационных вод, дегазация тела полигона), и разработка критериев оценки их эффективности.
6. Научно-методическое обоснование создания системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла, как составной (объектовой) части социально-гигиенического мониторинга.
7. Разработка концептуальной схемы информационно-аналитической системы, как элемента санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО.
Научная новизна работы.
Сформулированные задачи по санитарно-гигиенической оценке полигонов захоронения ТБО и зон их возможного негативного воздействия применительно к ведению санитарно-гигиенического мониторинга решались впервые.
• Установлены количественные, качественные, а также временные закономерности формирования эмиссий загрязняющих веществ, обусловливающих санитарно-гигиеническое состояние полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла; разработана система критериев для оценки воздействия полигонов на объекты окружающей среды.
• Доказана эпидемиологическая значимость эмиссий полигона: вьивлены условно-патогенные и патогенные виды микроорганизмов в депонированных отходах, фильтрационных водах, формирующемся свалочном грунте. На территории полигона в снеговом покрове отмечено превышение ОМЧ, индексов E.coli, ЛКП в 2,2,10,3 раз соответственно, в поверхностных водах в границах СЗЗ индекса ЛКП в 2 раза. Установлена безопасность свалочных грунтов, сформировавшихся в течение 25 лет после закрытия полигона: отсутствие патогенной и условно-патогенной микрофлоры за исключением споровых форм (С/, perfringens).
• Выявлены особенности качественного и количественного состава микроорганизмов, дест-руктирующих органические вещества, содержащиеся в массиве отходов на разных этапах его жизненного цикла. На аэробной стадии и стадии гидролиза деструкцию осуществляют бактерии родов Pseudomonas, Bacterium, грибы родов Mortierella, Mycogone и акпшомицеты рода Actinomyces. На стадиях ацетогенеза и активного метаногенеза в структуре микробиоценоза преобладают бактерии родов Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Methanobacterium. На стадии стабильного метаногенеза микробиоценоз формируют бактерии родов Bacillus, Desul/ovibrio, Methanobacterium, Methanococcus. На этапе рекультивации микробиоценоз представлен актиномицетами рода Actinomyces, грибами родов Pénicillium, Mycogone, род Cytophaga и азотфиксирующими микроорганизмами рода Azotobacter.
• На основе разработанной биохимической модели деструкции отходов и имитационного анализа водного баланса построены математические модели формирования эмиссий (биогаза и фильтрационных вод), позволяющие прогнозировать уровни воздействия факторов риска санитарно-гигиенического состояния полигонов ТБО на этапах жизненного цикла и использовать их в диагностическом санитарно-гигиеническом мониторинге (параметрический прогнозный блок).
• На основе проведенного комплексного анализа и моделирования факторов риска разработана методологах обоснования и внедрения оптимального комплекса мероприятий по обеспечению санитарно-гигиенической безопасности полигонов ТБО, основанная на принципе многобарьерной защиты, включающем управление качеством и количеством отходов, поступающих на захоронение, и потоками эмиссий (дегазация тела полигона; отведение и очистка фильтрационных вод).
• Выполнено гигиеническое обоснование критериев оценки состояния полигона ТБО и территории его возможного влияния с учетом этапов жизненного цикла и мощности объекта.
• Научно обоснована, в соответствии с положениями о проведении социально-гигиенического мониторинга, система санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО (объектовый уровень), включающая информационно-аналитическую систему.
• Разработан алгоритм и критериальная база последовательного решения аналитических задач, возникающих в процессе проведения санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захо-
ронения ТБО.
Теоретическая значимость. В рамках научных направлений развивающих теоретические основы в области гигиены, получены новые данные, углубляющие представления о биохимических процессах деструкции отходов, образовании эмиссий загрязняющих веществ, их гигиенической оценке и идентификации факторов риска на разных этапах жизненного цикла полигона ТБО.
Предложена система санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО с учетом этапов жизненного цикла, в т.ч. разработан диагностический и текущий мониторинг полигонов ТБО, информационно-аналитическая система; дано теоретическое обоснование методологии выбора и оценки оптимального комплекса инженерных и технических мероприятий по обеспечению гигиенических нормативов в зоне воздействия полигонов ТБО. Полученные результаты явились основой дальнейшего развития методологии СГМ в конкретном объектовом уровне - санитарно-гигиеническом мониторинге полигонов захоронения ТБО.
Практическая значимость и внедрение результатов исследования.
Разработана система санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО, как объектового уровня СГМ, и рекомендации по его проведению. Предложены и обоснованы программы проведения санитарно-гигиенического мониторинга атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, растительного покрова, почв на различных этапах эксплуатации полигона ТБО.
На примере Пермского края дана комплексная, углубленная гигиеническая оценка состояния полигонов на этапах жизненного цикла, выявлены приоритетные и индикаторные показатели, являющиеся критериями оценки факторов риска воздействия полигонов на объекты окружающей среды и санитарно-гигиеническое состояние прилегающих территорий.
Разработаны и внедрены рекомендации по практическому применению технологии санитарно-гигиенического мониторинга при проведении санитарно-эпидемиологической экспертизы, обследований, а также диагностического мониторинга полигонов ТБО с использованием математических моделей формирования водного баланса полигона, эмиссий загрязняющих веществ - для расчета объема образующихся фильтрационных вод на различных этапах эксплуатации, объема и
скорости выделений биогаза, прогноза химического состава фильтрационных вод.
Результаты настоящих исследований использованы в практике при разработке и реализации следующих нормативно-методических документов:
- Рекомендации по сбору, очистке и отведению сточных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, 2003 (Утв. Федеральным центром благоустройства и обращения с отходами 25.04.2003г.).
- Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронения твердых бытовых отходов, 2003 (Утв.Федеральным центром благоустройства и обращения с отходами 25.04.2003г.).
- Рекомендации по выбору систем дегазации и разработке технологий очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, 2004 (Утв. Управлением по охране окружающей среды Пермской области № 42-01/47 от 20.0] .2004г.).
- Рекомендации по организации экологического мониторинга и производственного экологического контроля полигонов захоронения твердых бытовых и промышленных отходов, 2005 (Утв. Федеральным центром благоустройства и обращения с отходами № 84/05-05 15.03.2005г.).
Результаты проведённых научных исследований используются:
- при проведении санитарно-эпидемиологических исследований, экспертиз и подготовке заключений ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае» (акт внедрения № 3316 от 03.11.2010г.), Управлением Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Пермскому краю (акт внедрения № 10/11584 от 03.11.2010г.);
- при муниципальном контроле в Нытвенском (акт внедрения №И-02-16/1215 от 9.11.2010г.) и Краснокамском (акт внедрения от 08.11.2010г.) муниципальных районах;
- в эксплуатирующих полигоны захоронения ТБО организациях ООО «Буматика», ЗАО «ОЛ-ДАНС» (акты внедрения от 10.11.2010г. и №41 от29.Ю.2010г).
Материалы исследований используются в системе высшего профессионального образования:
- внедрены в учебный процесс Пермского государственного технического университета, используются при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам «Общая эко-
логия», «Техника защиты окружающей среды», «Управление движением отходов», «Экологический мониторинг» (акт внедрения от 10.11.2010г.);
- на кафедре обшей гигиены и экологии человека ГОУ ВПО «Пермская государственная медицинская академия им. ак. Е.А.Вагнера» (акт внедрения от 08.11.2010г.);
Материалы проведённых исследований и теоретические положения диссертационной работы использованы при разработке: «Концепции обращения с отходами производства и потребления на территории Пермского края на 2008-2012 годы. Перспективы развития до 2017 года», «Концепции развития системы обращения с отходами производства и потребления на территории Нижегородской области на 2008-2012 годы. Перспективы развития до 2017 года», «Концепции по обращению с отходами Ханты-Мансийского автономного округа - Югры на 2009-2013 годы» (акт внедрения 09.11.2010г.).
Результаты исследований использованы при разработке раздела «Обращение с отходами производства и потребления на территории г.Перми»; проектной документации полигонов ТБО г.Кунгура и г.Березников; разработке программ проведения санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО г.Чусовой, г. Звездный, г, Кунгур (акт внедрения от 10.11.2010г.).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Санитарно-гигиеническая оценка состояния полигона захоронения твердых бытовых отходов на этапах жизненного цикла, как источника негативного воздействия на объекты окружающей среды и состояние прилегающих территорий.
2. Процесс формирования эмиссий загрязняющих веществ, описанный математическими моделями для прогнозирования санитарно-гигиенического состояния полигона ТБО на этапах жизненного цикла и обоснования выбора показателей контроля при проведении санитарно-гигиенического мониторинга.
3. Комплекс методических подходов и инженерно-технических мероприятий, ведущих к достижению гигиенических нормативов в зоне воздействия полигонов ТБО с учетом этапов жизненного цикла полигона захоронения ТБО.
4. Научно-методические принципы и методологические основы санитарно-гигиенического
мониторинга полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла, как составной части социально-гигиенического мониторинга.
Апробация работы.
Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на II международном конгрессе по управлению отходами "Вейстэк - 2001", (Москва, 2001 г.), "Вейстэк - 2007",(Москва, 2007 г.), международном конгрессе «Вода: экология и технология «ЭКВАТЭК - 2002» (Москва, 2002 г.), «ЭКВАТЭК - 2006» (Москва), XXX научно-технической Всероссийской конференции АДФ ПермГТУ (Пермь, 2003), международной конференции «Экологическая безопасность урбанизированных территорий (Москва, 2005), 3 Межрегиональной практической конференции «Социально-гигиенические и эпидемиологические проблемы сохранения и восстановления здоровья военнослужащих и населения» (Н.Новгород, 2006).
Апробация диссертации проведена на совместном заседании ученого совета автодорожного факультета и сотрудников кафедры охраны окружающей среды ГОУ ВПО «ПГТУ» 1 июня 2010 года.
Личный вклад автора. Автор сформулировал идею - создание системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО, разработал программу, обосновал направления, методические подходы, объекты и объёмы исследований. Доля личного участия автора в получении и накоплении научной информации составляет 80%. Обобщение, анализ, интерпретация материалов полностью проведены автором работы.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 39 иаучпых трудов, в том числе 3 монографии, 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК («Пермский медицинский журнал», 2005,2006, 2008, «Наука - производству», 2006, «Дезинфекционное дело», 2009, «Гигиена и санитария», 2010, «Здоровье населения и среда обитания», 2007, Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2005).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы из 288 ист., в том числе 113 публикаций иностранных авторов, изложена на 312 стр. машинописного текста. Работа содержит 75 таблиц, 37 рисунков и приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Объекты, объем и методы исследования. Для оценки санитарно-гигиенического состояния полигонов ТБО и разработки системы санитарно-гигиенического мониторинга исследовались полигоны г. Перми и Пермского края, находящиеся на разных этапах жизненного цикла. При проведении исследований использовали комплексные методы, включающие анализ фондовых и отчетных материалов, проектно-технической документации, натурные санитарно-топографические и санитарно-гигиенические обследования, методы математического моделирования, санитарно-бактериологические, микробиологические и др. Определение норм накопления и морфологического состава отходов проводилось в соответствии с нормативными требованиями.
Отбор проб атмосферного воздуха, биогаза, фильтрационных вод, подземных и поверхностных вод в зоне влияния полигона, свалочного грунта и подготовку их к анализу проводили согласно требованиям ГОСТ и стандартных общепринятых в химической и микробиологической практике методов проведения исследований. Пробы анализировались в аккредитованных испытательных лабораторных центрах (ИЛЦ) при ПГТУ и ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае».
Исследования физико-химического состава фильтрационных вод, поверхностных вод и снегового покрова в зоне влияния полигона ТБО проводились по следующим основным показателям: ХПК, БПК, рН, цветность, жесткость, содержание ионов СГ, ЫО{, N03", ЫНД ионов тяжелых металлов: РЬ2+, Си2+, 1п2\ Мп2+, №2+ и др. методом фотометрии и атомно-адсорбционной спектроскопии.
Пробы биогаза и атмосферного воздуха на границе санитарно-защитной зоны полигона ТБО анализировались по следующим параметрам: СН4, СО2, СО, МНз, Н^Б, ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол и др.) Микробиологические исследования фильтрационных вод, свалочных образований, почв проводились методам посева на питательные среды, а для выявления и учета численности микроорганизмов прямого микроскопирования. Присутствие микроорганизмов, относящихся к различным физиологическим группам, определяли по характерному росту на элективных средах, учитывали морфологические и тинкториальные свойства. Конечной целью качест-
венного исследования микрофлоры являлось определение их видовой принадлежности по определителям (Н.А. Красильникова, Берги, А. А. Мильна, J. Я. Róstate и др.). Санитарно-гигиеническое исследование отобранных проб проводилось в соответствии с требованиями гигиенических нормативных документов (МУ 2.1.7.730-99, МУ № 1446-76, МУ JVa 2293-81, МУ № 1739-77, МУ № 414686, МУ 4.2.671-97, МУК 4.2.1884-04, МУК 4.2.1018-01, ИМП 1100/1670). Основные направления, объекты, методы и объемы исследований представлены в табл.1.
Таблица 1. Направления, объекты, методы н объемы исследований
Направления исследований Объекты и материалы Методы анализа Объем исследований
Анализ эмиссий загрязняющих веществ; свалочных грунтов на полигонах ТБО по общесанитарным и химическим показателям Биогаз, ФВ, отобранные из скважин и наземных скоплений, донные отложения наземных скоплений ФВ, формирующиеся техногенные свалочные грунты Химико- вналшические исследования. Отбор проб биогаза проводился с помощью шахтного интерферометра ШИ-10 и экешюзиметра ЭТХ-1-2 Анализ проб биогаза оценивался по 10 показателям (160 ед.). Анализ ФВ проводился па 5 полигонах ТБО Пермского края в течение 20012008 г.г. по 26 показателям (780 ед. информации); анализ свалочных грунтов - по 12 показателям (180 ед.)
Оценка сашггарно -гигиенического и санитарно -бактериологического состояния полигонов ТБО Атмосферный воздух, пробы снежного покрова, ФВ, донных отложений наземных скоплений ФВ, поверхностных и подземных вод в зоне влияния полигона; пробы почвенного покрова Санитарно-эпидемиолошче-ские: общее микробное число (ОМЧ), бактерии группы кишечных палочек (БГКП), ЛКП-индекс, коли-титр, коли -индекс, условно-патогенная, патогенная микрофлора Анализ атмосферного воздуха па границе санитарно-захцитной зоны и в приземном слое проводился по 14 показателям (260 ед.). Анализ снеговых проб на полигоне ТБО г. Перми и прилегающих территориях проведен по 14 показателям (280 ед.). Анализ поверхностных вод осуществлялся из 14 гидростворов по 32 показателям (820 ед.). Пробы почв оценивались по 35 показателям (350 ед.)
Исследование микробиоценозов на этапах жизненного цикла полигона ТБО Микробиоценозы ТБО, ФВ, формирующихся свалочных грунтов Микробиологические: методы посева на элективные плотные и жидкие питательные среды Образцы ТБО, пробы ФВ, донных отложений в наземных скоплениях ФВ, свалочных техногенных грунтов (не менее 20 проб каждого наименования) - более 600 ед. информации
Системный анализ и моделирование процессов формирования эмиссий на полигоне ТБО с целью разработки диагностического и текущего монито-рингов Условия формирования водного баланса и эмиссий загрязняющих веществ полигонов ТБО на различных этапах эксплуатации Имитационный анализ, разработка биохимической модели деструкции ТБО, математическое моделирование Анализ экспериментальных данных об объемах, химическом составе ФВ и биогаза полигона ТБО на различных этапах жизненного цикла (полигоны ТБО Пермского края). Разработанные модели водного баланса полигона, расчета объема ФВ, биогаза, модель изменения химического состава ФВ
Продолжение таблицы 1
Разработка системы инженерно-технических мероприятий, направленных на обеспечение гигиенических нормативов в зове влияния полигона ТБО Технологии про-тивофильтраци-онной защиты, дегазации полигона, очистки и отведения ФВ Принципы безопасного захоронения отходов, принципы многобарьерной защиты, управление эмиссиями Анализ существующих систем безопасного захоронения отходов (отечественный и зарубежный опыт). Разработка принципов и комплекса инженерных мероприятий безопасного захоронения отходов с учетом этапов жизненного цикла
Система санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО на различных этапах жизненного цикла. Анализ результатов исследований санитарно-гигиенического состояния полигонов ТБО, анализ существующих систем мониторинга, информационных систем и баз. Системный анализ Разработка системы санитарно-гигиенического мониторинга; программ проведения мониторинга атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, растительного покрова, почв на этапах жизненного цикла полигона, разработка информационно-аналитической системы ИАС, реализация системы мониторинга на полигонах ТБО Пермского края (г.Чусовой, п. Звездный, г.Березники, г.Кунгур)
Процессы трансформации органической составляющей ТБО и формирования эмиссий загряз-
няющих веществ при аэробной и анаэробной биодеструкции исследовались с использованием методов физического и математического моделирования. При решений поставленных в работе задач были выполнены более 3 тыс. определений. Результаты всех экспериментальных исследований обработаны стандартными статистическими методами с использованием программного продукта SP SS V 10.0.5 for Windows и Stastistica.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Санитарно-гигиеническая оценка состояния полигона захоронения твердых бытовых отходов на этапах жизненного цикла.
Полигоны захоронения ТБО представляют собой длительный потенциальный источник санитарно-гигиенической опасности вследствие образующихся при разложении отходов эмиссий биогаза и фильтрационных вод; субстрат полигона является благоприятной средой для развитая патогенной микрофлоры, насекомых и грызунов - переносчиков и возбудителей инфекционных заболеваний. Состав эмиссий зависит от стадии биодеструкции отходов. На ранних этапах эксплуатации объекта биодеградируемые фракции ТБО подвергаются аэробной деструкции. По мере уплот-
нения и увеличения количества отходов в теле полигона начинаются анаэробные процессы, длящиеся десятки лет, и обуслошшвающие основные эмиссии загрязняющих веществ. Можно выделить следующие основные фазы анаэробной биодеструкции отходов: гидролиз, ацетогснез, активный мстаногенез, стабильную фазу метаногенеза, полную ассимиляцию, которые совпадают с основными этапами жизненного цикла полигона: активной эксплуатации (0-25 лет), рекультивации, пострекультивационный этап (активный, пассивный и стабилизационный).
Для санитарно-гигиенической характеристики полигонов ТБО с учетом этапов жизненного цикла в качестве основного объекта исследований был выбран типичный для России действующий полигон депонирования отходов г. Перми «Софроны». Выбор объекта обусловлен наличием на нем действующих карт захоронения и рекультивированных территорий, что позволяет изучить закономерности формирования эмиссий, смены микробиоценозов на различных этапах жизненного цикла. Полигон ТБО «Софроны» расположен в 22 км от города вблизи жилой застройки и функционирует с 1978 г. Территория, непосредственно используемая для захоронения ТБО, занимает площадь 33 га, высота складированных отходов составляет 16-18 м. Общий объем накопленных отходов к концу 2008 г. - 29250 тыс. м3. Площадь санитарно-защитной зоны - б га. Исследоваи химический и морфологический состав отходов, он типичен для полигонов ТБО крупных промышленных городов (табл.2). По полученным результатам была установлена брутто-формула биоде-градируемой фракции ТБО (Сзбз^гоОцЭД^). Основными источниками воздействия полигона на объекты окружающей среды являются фильтрационные воды, образующиеся в результате инфильтрации атмосферных осадков через массив отходов, отжимных вод, биохимических и химических процессов разложения ТБО, и биогаз.
Анализ условий образования и состав фильтрационных вод полигонов ТБО и его влияние на объекты гидросферы. В ходе проведения исследований по формированию состава ФВ на этапах жизненного цикла на протяжении ряда лет изучались полигоны ТБО г. Перми «Софроны» и «Голый мыс» (закрытый для эксплуатации и используемый как снеговая свалка), а также полигоны Пермского края Чусовой, г. Полазна, д.Страпшая гора), значительно отличающиеся стадиями эксплуатации. Полигон ТБО «Софроны» не имеет достаточного естественного водоупорного основа-
ния под рабочим телом. Фильтрационные воды выходят на поверхность и скапливаются в углублениях рельефа местности между массивом отходов и дамбой. На основании анализа материальных потоков ТБО, составления и расчета водного баланса полигона рассчитан объем фильтрационных вод на территории полигона, который составляет 80 000-100 000 м3/год.
Таблица 2. Морфологический состав отходов полигона захоронения ТБО г. Перми (данные 2000 -2009 г.г.)
Фракционный состав Врутто-формула фракции Доля фракции, %
Пищевые отходы Сз20,зН57О,9Отд№ 14,9 Э 10,6-13,8
Макулатура С580,бН952^О440^3,<|9 Э 19,3- 22,6
Дерево С Ш1Н|904 О855,бГ^б8 1,9- 2,3
Садово-парковые отходы C424.8H635.9O253.8N 6,41 Э 15,0-17,1
Ткань, текстиль С978,8Н139б041«.8М 70,28 4,2-4,8
Кожа, резина C404.4H634.9O58.lN57.2S C454.4H69.4N1 1,2-1,5
Пластик C3.5H5.0O, 5,6-7,2
Черные и цветные металлы Ре, Си, №, Сг, РЬ и др. 4,7- 3,8
Стекло №20 • ЙОг 17,3-15,2
Строительный мусор - 7,1-8,2
Кости Са3Р04 0,1-0,15
Прочие - 9,3 - 9,6
Исследования химического состава ФВ полигонов ТБО Пермского края, результаты которого представлены в табл. 3, позволили установить индикаторные показатели состава ФВ, характеризующие этап жизненного цикла полигона; рН, ХПК, БПК, ХПК/БПК, содержание ионов цинка и железа. В ацегогенной фазе ФВ характеризуются высокими значениями ХПК (5000-90000 мг02/дм3) и БПК5 (2000 - 40000 мгОУдм3), отношение ВПК5/ХПК - 0,5-0,6, концентрация ионов тяжелых металлов - 25-50 мг/л, рН = 4,5-6,5. Органические примеси в основном представлены летучими органическими кислотами жирного ряда. В ФВ, образующихся на стадиях метаногенеза (рН = 6,7 - 8,8), значительно снижаются величины ХПК (1000-2000 мг02/ды3) и БПК5 (100-400 мг Ог/дм3), однако увеличивается доля биорезистентных соединений, о чем свидетельствует снижение отношения БПК5/ХПК до величины 0,2-0,3, увеличивается концентрация фенолов, хлорсодер-жащнх ароматических соединений, образующихся при дальнейшем разложении отходов.
Таблица 3. Характеристика химического состава фильтрационных вод полигонов захоронения ТБО Пермского края
Наименование показателя г.Пермь «Софроны» (2003-2008 г.г.) г.Чусовой (2003-2006 г.г.) д.Страшная гора (2001 г.) п. Полазпз, (2000 г.) г. Пермь «Голый мыс» (2002-2006 г.г) пдк.р
рн 8,2-8,6 7,3-7,6 4,5-4,8 6,5 - 6,9 7,9-8,3 6,5-8,5
Солесодержание, мг/дм1 5000-6000 1700-3500 98035-101250 31700-32800 2940-3210 1000
ХПК, мг О/дм* 700-1200 680-920 38900-43 500 5040-6500 456-550 30
БПК5> мг 02/дм' 180 - 220 120 -180 22800-24500 3000-4500 55-90 2
бпк5,/хпк 0,18-0,26 0,18-0,20 0,56-0,59 0,59-0,69 0,12-0,16 отс.
Жесткость, мг-экв/дм-* 18,8-23,2 5,2-5,8 25,3-36,5 24,0-30,1 31,5-35,8 10
Хлорид- ион, мг/лм"1 1800 - 2500 280-320 9017-1125 1152- 1350 1200-1400 300
Фосфат-ион, мг/дм"* 27,5-36,5 8,0-10,2 0-1,2 35,1-44,5 5,2-6,8 0,05
Ион аммония, мг/дм"* 139,5- 150,5 18,2-21,6 145 -176 14,2 -18,5 27,2 - 53,8 0,5
Нитрит-ион, мг/дм1 0,43-0,53 0,3-0,5 5,2 - 6,7 1,7-2,3 2,2-2,7 0,08
Ннтрат-ион, мг/дм* 8,5-10,7 1,8-2,4 95-165 11,1 -24,2 12,5-19,7 40,0
Железо (общее), мг/дм1 9,0-51,0 5,5-6,7 15,3-17,8 24,2-28,4 3,6-4Д 0,1
Марганец (И), иг/дм"* 2,6-3,6 1,7-2,2 3,26-5,1 6,1-7,2 0,03-0,05 0,01
Свинец (II), иг/дм* 0,04-0,16 не опр. 0,41-0,62 0,15-0,22 0,06-0,08 0,01
Медь(И), мг/дм3 0,1 - 0,5 не опр. не опр. не опр. 0,41-0,45 0,001
Цинк (II), мг/дм5 0,7-1,1 0,8-1,2 не опр. 5,2-6,1 0,23-0,50 0,01
Фенол и его производные, мг/дм3 2,2-2,5 4,5 -5,2 не опр. не опр. 9,8 -14,5 0,001
По индикаторным показателям фильтрационные воды полигонов захоронения ТБО г. Перми «Софроны» и г. Чусового можно отнести к образующимся в конце активной фазы метаногенеза, состав фильтрационных вод полигона ТБО «Голый мыс» характерен для стадии стабильного метаногенеза, полигоны ТБО д. Страшная гора и г. Полазна - для ацетогенного фильтрата.
Для определения влияния фильтрационных вод на подземные и поверхностные воды проводились исследования проб подземных и поверхностных вод в зоне влияния полигона ТБО г. Перми «Софроны». Оценка влияния фильтрационных вод на состояние подземных вод проводилась на основе исследований химического состава проб, отобранных из двух гидрогеологических скважин выше и ниже по потоку фунтовых вод. Установлено техногенное загрязнение подземных вод по следующим показателям: ХПК - 34,8 ПДК и БПК5 - 90,66 ПДК, К-Ш4+ - 7,5 ПДК, СГ и по сухому остатку - до 6 ПДК, фенолам - 5 ПДК, ионам Мп+2 - 66 ДДК.
С целью определения влияния полигона на качество поверхностных водоисточников отбор проб совместно со специалистами НИИ «Пермгидроводхоз» производился из 14 гидростворов, выделенных по рекам Бродовая, Соломинка и их притокам. Выявлено, что загрязнение водных объектов происходит неравномерно и зависит от сезонов года. Загрязнение вод малых рек зафиксировано в секторе, расположенном в направлении поверхностного стока с территории полигона и в пробах, отобранных из гидроствора, расположенного на ручье, стекающем с территории полигона. Установлено превышение нормативных концентраций по сухому остатку - 2000 ПДК, ХПК -14 ПДК, БПК5 - 40 ПДК, Реобш - 90 ПДК, Мп2+ - 48 ПДК. Незначительное превышение выявлено по ионам СГ, ионам №+2 и Сг+3 - до 2 ПДК, ионам М-ЫН/ - до 3 ПДК. Отмечены превышения во всех гидростворах по содержанию взвешенных веществ (до 10 ПДК), фенолов (2-20 ПДК), нефтепродуктов (3-20 ПДК).
Проведенные исследования указывают на выраженное влияние полигона захоронения ТБО «Софроны» на поверхностные и грунтовые воды. Наибольший риск для здоровья населения прилегающих к полигону территорий составляет повышенное содержание в гидростворах ксенобиотиков (нефтепродукты, фенол).
Анализ условий образования и состав биогаза, его влияние на атмосферный воздух. Процессы биохимического разложения ТБО сопровождаются газовыми эмиссиями. Для оценки влияния биогаза на атмосферный воздух на полигоне ТБО г. Перми проводилась газовая съемка с помощью шахтного интерферометра ШИ-10 и эксплозиметра ЭТХ-1-2. Отбор проб атмосферного воздуха в приземном слое на высоте 1,5 м и 0,4 м от поверхности проводился на эксплуатируемых площадках захоронения, рекультивированных участках полигона, на границе санитарной зоны и в условно чистом районе на расстоянии 2,5 ш от свалки.
Результаты анализа химического состава, выделяющегося с поверхности полигона ТБО биогаза, показам, что он содержит ароматические соединения - бензол, толуол, этилбензол, фенолы. В зоне горения отходов наблюдается превышение ПДК по содержанию углеводородов от 4,8 до 8 раз, этилбензола - в б и 30 раз, СО - в 14,8 раза, ксилола - в 0,65 раза и НгЭ - в 2,1 раза. Наиболее интенсивные потоки метана обнаружены в рекультивированной зоне свалки. На границе саяитар-но-защитной зоны и прилегающих территориях влияния биогаза на качество атмосферного воздуха не выявлено.
Анализ химического состава свалочного грунта. Дня анализа условий формирования свалочного грунта в ходе исследований были отобраны пробы грунта с карт захоронения и с рекультивированных участков основного объекта исследования - полигона ТБО «Софроны». Проведен химический и спектральный анализ проб грунта, отобранного на глубине 0-10 м, что позволило изучить подвижность металлов в процессе деструкции отходов.
Результаты проведенного спектрального анализа проб, представленные на рис.1, показывают, что содержание меди, хрома, никеля, свинца, олова значительно превышают значения ПДК для нейтральных суглинистых почв, и изменяется по глубине залегания грунта.
Наибольшее содержание металлов наблюдается в пробах свалочного грунта, отобранных с глубины 1 м и 8-9 м. В поверхностном слое (до 1 м ) протекают процессы аэробного разложения легкоразлагаемых фракций ТБО (пищевые отходы), окисление металлов. При этом возможно образование трудно растворимых карбонатов, фосфатов металлов и накопление их в свалочном грунте. В ацетогениой фазе разложения ТБО в кислой среде возможно образование растворимых гидро- и
дигидрофосфатов, гидрокарбонатов металлов (цинка, меди, хрома) и переход их в фильтрат, что приводит к снижению содержания металлов в свалочном грунте. В фазе метаногенеза в щелочной среде в толще отходов протекает медленная стабилизация металлов за счет образования сульфидов, фосфатов, карбонатов и др. (глубина 8-9 м). Обнаруженное высокое содержание ионов токсичных металлов, их подвижность требует разработки системы контроля химического состава свалочных грунтов, как в период активной эксплуатации полигона, так и в период рекультивации.
Глубина, м
—О—Sn а ■■ 2п -о- -р1
Рис.1. Содержание загрязняющих веществ в свалочном ipymre, отобранном на различной глубине
(полигон «Софроны, 2003 г.)
Оценка санитарно-гигиенического состояния полигона ТБО «Софроны», как основного объекта изучения, по микробиологическим показателям проведена на основании результатов многолетних исследований депонированных отходов, ФВ, снегового покрова, подземных вод (в зоне влияния полигона), поверхностных источников (в пределах санитарно-защитной зоны полигона), а также свалочных грунтов, сформировавшихся в результате длительной биодеградации ТБО (25 лет). Определение видового состава микробиоцеяозов, формирующихся на этапах жизненного цикла полигонов ТБО, проводились совместно с Зайцевой Т.А.
В снеговом покрове патогенной микрофлоры, как в санитарно-защитной зоне, так и за ее пределами, не выявлено. Отмечено превышение на территории полигона содержания E.coli в 10 раз в
сравнении с фоновым участком, по индексу ЛКП в 3 раза, по общему микробному числу 2,2 раза. По индексу лактозоположительной кишечной палочки качество снегового покрова на границе СЗЗ выше фонового на 20%.
В поверхностном слое депонированных отходов (0 - 0,5 м), размещенных на эксплуатируемых картах, обнаружено наибольшее количество микроорганизмов: количество сапрофитных бак-терийв 1 гсоставило 1,5-106 - 1,7-10', общее количество бактерий -3,5 • 10s — 4,3-10* в 1 г. Установлено присутствие в отходах бактерий группы кишечной палочки (БГКП): количество БГКП составляло 1,0106 - 1,0-Ю7 кл. в 1 г, количество термофильных бактерий - 1,0-10* - 1,0-105 кл/г. В поверхностном слое отходов обнаружена условно-патогенная и патогенная микрофлора различных физиологических групп: бактерии, актиномицеты, микрококки- E.coli, Klebsiella, Bact. руасеапеит, Mic. citrinus, Mic. Candidus, CI. perfringens. Присутствие патогенной и условно-патогенной микрофлоры на полигоне ухудшает санитарные условия труда обслуживающего персонала.
В случаях нарушения технологии сбора, очистки и обезвреживания на полигонах захоронения ТБО возможно поступление патогенной микрофлоры с недостаточно очищенными и обеззараженными фильтрационными водами в водные объекты - источники водоснабжения, что может привести к возникновению рисков поражения населения, проживающего в зоне потенциально возможного влияния полигонов. В фильтрационных водах полигона ТБО количество лактоположительных бактерий соответствовало нормативным показателям, бляшкообразуюпщх колифагов - ниже установленных нормативов, коли-титр составил 0,06-0,01кл./мл; коли-индекс - от 16,0 до 100 тыс. кл./дм!. В фильтрационных водах обнаружена условно-патогенная и патогенная микрофлора. Среди условно-патогенной микрофлоры преобладали представители родз Micrococcus.
В донных отложениях наземных скоплений фильтрата также присутствовали представители условно-патогенной микрофлоры Mic. candidus, Mic. epidermis и Бас. serositidis, которые обнаруживались и в депонированных отходах полигона ТБО. Бактерия £. .coli в донных отложениях не выделена.
Бактерии Exoti и патогенная микрофлора не обнаружена в подземных водах. В поверхностных водах (р. Бродовая) количество лактоположительных кишечных бактерий в 2 раза превышало
нормативные показатели, патогенная микрофлора отсутствовала. На основании полученных данных можно заключить, что полигон ТБО не оказывает влияние на подземные водоисточники, но влияет на поверхностные, что подтверждается превышением содержания ЛКП.
Микробиологические исследования свалочных грунтов на рекультивированных картах полигона ТБО позволили установить, что содержание бактерий группы кишечной палочки, обнаруженные в пробах, отобранных с глубины 3 м, не превышало допустимых значений и соответствовало малозахрязненным почвам. Содержание термофильных бактерий изменялось от 1,5 • 107 кл/г (глубина 2 м) до 1,5 -102 кл/г (глубина 8 м). Представителями патогенной и условно-патогенной микрофлоры являлись С/. рег$г1щет, Вас1руосуапеит, причем содержание С1 рег/г1г^еп5 увеличивалось с глубиной от 4 до 11м. Присутствие С/. рефт%ет в глубоких слоях свалочных грунтов объясняется способностью бацилл сохраняться длительное время в виде покоящихся форм (споры).
Результатами санитарно-бактериологических исследований установлено, что действующий полигон захоронения отходов г.Перми «Софроны» в результате отсутствия системы сбора, очистки и обеззараживания фильтрационных вод, а также неудовлетворительной организации входного контроля при поступлении отходов на захоронение, что не исключает возможности несанкционированного попадания на полигон инфицированных отходов, является объектом, неблагополучным в санитарно-эпидемиологическом отношении, что подтверждается присутствием условно-патогенной и патогенной микрофлоры в депонированных отходах в зонах краткосрочного захоронения (до 5-10 лет), фильтрационных водах, поверхностных водоисточниках.
Отмечено значительное улучшение санитарно-гигиенической ситуации на картах депонирования отходов, с длительным сроком биодеградации органических веществ (25 лет). При проведении микробиологических исследований проб депонированных отходов, образующегося свалочного грунта, биогаза, отобранных на участках эксплуатации и рекультивации, установлены значительные изменения в структуре микробных популяций, общего количества бактерий, сапрофитных микроорганизмов. Вопросы, связанные с изучением микробиоценозов, формирующихся на различных этапах жизненного цикла полигона, а также их влиянием на степень биодеструкции ТБО в литературе практически не освещены.
Микробиологические исследования формирующихся свалочных техногенных грунтов (СТГ) позволили проследить процессы биохимической трансформации органической часта ТБО а смену мюсробиоценозов на этапах жизненного цикла полигона ТБО, а также определить индикаторные показатели, характеризующие интенсивность и стадию процессов биодеструкции отходов. На эксплуатируемых участках полигона ТБО пробы отбирались по разрезу 0-11 м. На глубине 0,5-2 м были обнаружены бактерии, большинство из которых были представителями родов Bacillus, Mi• crococcus, Mycobacterium, а также Actinomyces и Proactinomyces, являющихся гидролитиками а способные участвовать в процессах гидролиза высокомолекулярных соединения (крахмал, целлюлоза). Они доминируют на ранних стадиях биодеструкции органических фракций отходов. Постепенное накопление аминокислот, простых Сахаров и т.п. способствует активному росту микро-организмов-копиотрофов, большинство из которых относились к родам: Bacterium, Pseudomonas, Mycobacterium. Эти микроорганизмы были обнаружены в пробах депонированных ТБО, отобранных с глубины 5 м. В пробах, отобранных с глубины более 7 м, присутствовали вторичные анаэробы: метаногенные, сульфат-редуцирующие и денитрифицирующие бактерии, способные утилизировать органические вещества на конечных стадиях анаэробных процессов. Они относились к родам Methanobacterium и Desulfovibrio. Для определения полноты протекания процессов биодеструкции ТБО, а также для анализа процессов формирования и смены микроценозов были проведены микробиологические и физико-химические исследования проб свалочного техногенного грунта, отобранных на рекультивированных участках полигона ТБО «Софроны». Установлено, что СТГ полигона характеризуются высокой пористостью (65-70 %), и соответствуют категории «весьма влажные насыщенные грунты», имеют щелочную реакцию среды (рН=8,5 - 8,9, Ей - 280 - 340 мВ), гН2 - от 5,3 до 6,9. Сравнительный анаша результатов микробиологических исследований показал, что численность сапрофитных бактерий не превышала их содержания в зональных почвах (табл.4). В СТГ обнаружено большее количество бациллярных форм, численность которых составила от 252 тыс. до 1,8 млн. клеток в 1 г. В отличие от зональной почвы для СТГ полигона характерна более высокая численность микроскопических грибов и акпшомицетов, большинство представителей которых являются активными деструктантами целлюлозы (табл.4).
Таблица 4. Микробиологическая характеристика депонированных отходов, техвогепиого свалочного грунта
25-летнего возраста и зональной почвы
Параметры Эксплуатируемая территория полигона ТБО Рекультивируемая территория полигона ТБО Дерново-подзолистые суглинки
Количество сапрофитных бактерий, кл/1 г а.с.в. 1,5'Ю"-1,710" 0,89'105- ^Ю" 1,0510'-2,49-Ю-1
Общее количество микроорганизмов, кл./1 г а.с.в. 3,5'108-4,3'105 2,1-10'-ИЧО" О.б-Ю"-1,1-10'
рН среды 8,0-8,2 8,5 - 8,9 6,3 - 7,9
Индикаторы на биогеняость: присутствие белка, % обнаружения Не определялась Обнаружены белковые пятна в 50 % образцов Обнаружены белковые пятна в 30% образцов
АгоюЬааег, КОЕ/1 г а.с.в. АгоюЬас1ег, % обросших комочков н/обн. 9,0 - 11 (на среде Эшби: Лг.а&Ш, А г. сЬгоососсит, Аг. щпе1апсЧ) 87,5-93,0 2,0 - 8,0 (на среде Эшби: Аг. сНгоососсит) 86,2-97,0
Санитарно-гигиенические характеристики: титр Я сой, 0,1 г титр С/. рефтцепз, 1 г в поверхностном слое 0,5-2 м 0,01-0,0001 0,1-0,01 Не обнар. Не обнар. Не обнар. Не обнар.
КАА МПА 0,03-0,04 0,006-0,02 0,005-0,008
Наличие метаногенных бактерий М. тоЫШ, М. /оптскит М. ¡оеИп^епп Маапотюпа, МеХЫпососст уаптеШ Не обнар.
Количество микроскопических грибов, КОЕ/г 7,5 - 80,3 8,6-127,0 0,7-3,8
Количество актиномвдетов, КАА, КОЕ/г 10,8-125,0 6,0-43,0 5,0-19,0
Таким образом, в процессе биодеструкции ТБО в течение 25 лет формируется микробиологическое сообщество, близкое к дерново-подзолистой почве.
Теоретический анализ процессов биодеструкции органических веществ ТБО, результаты собственных микробиологических исследований в лабораторных и натурных условиях позволили установить соответствие структуры микробиологического сообщества стадиям биодеструкции и этапам жизненного цикла.
На аэробной стадии и стадии гидролиза (рН=б,3 -7,8 и rHî=21,4 - 17,0) деструкцию осуществляют бактерии родов Pseudomonas, Bacterium, грибы родов Mortierella, Mycogone и акпшомицеты рода Actinomyces. На стадиях ацетогенеза и активного метаногенеза (рН=4,8- 6,3 и гН2=14,3 - 6,15) в структуре микробиоценоза преобладают бактерии родов Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Methanobacterium. На стадии стабильного метаногенеза (рН=б,7-8,2 и гН2=5,4 - 4,3) микробиоценоз формируют бактерии родов Bacillus, Desulfovibrio, Methanobacterium, Methanococcus. На этапе рекультивации 5 - 8,9, гЯ?=22,8 - 23,9) микробиоценоз представлен актиномицетами рода Actinomyces, грибами родов Pénicillium, Mycogone, род Cytophaga и азотфгоссирукицими микроорганизмами рода Azotobacter. На основе результатов микробиологических исследований выявлены индикаторы санитарно-гигиенического состояния полигона, характеризующие интенсивность и стадию протекающих процессов биодеструкции отходов: количество сапрофитных бактерий; общее количество микроорганизмов; коэффициент минерализации (КАА/МПА); индикаторы на био-генность (присутствие белка, целлюлозоразрушающие микроорганизмы); дегндрогеназная активность; титр Coli, титр Cl. perfringens; индикаторы метаногенеза - метаногенные бактерии. Проведенная оценка санитарно-гигиенического состояния полигонов ТБО на различных этапах эксплуатации позволила обосновать перечень приоритетных показателей для наблюдения за состоянием атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод в зоне влияния полигона с учетом этапов жизненного цикла (см. табл. 5 и 6). Качество почвы в зоне влияния полигона должно контролироваться по следующим показателям: рН, содержание тяжелых металлов - цинка, меди, свинца, ртути, содержание нитритов, нитратов, органического углерода, мышьяка.
Санитарно-бактериологическая оценка загрязнения ФВ, депонированных отходов и свалочных фунтов должна проводиться по следующим показателям: общее микробное число (ОМЧ), лактозоположительные кишечные палочки; число бляшкообразующих единиц фагов кишечных палочек; индекс стафилококков; патогенные микроорганизмы, личинки и яйца гельминтов.
Таблица 5. Приоритетные показатели - критерии оценки фильтрационных вод и антропогенного воздействия на поверхностные и подземные воды
Ацетогенная фаза Метаногенная фаза
Индикаторные показатели: БПК, мг02/ дм3, ХПК, мг 02/ дм3, рН, железо общее, мг/дм3, цинк, мг/дмг Показатели, характеризующие «ацето-генный» фильтрат, мг/дм3: азот аммонийный, хлориды, летучие жирные кислоты. Дополнительные показатели: ионы тяжелых металлов, мг/дм3:меди, кадмия, свинца, марганца, хрома, анионы мг/дм3: сульфаты, фосфаты Индикаторные показатели: БПК, мг 02/ дм3, ХПК, мг Ог/ ДО3, рН, железо общее, мг/дм3,цинк, мг/дм3 Показатели, характеризующие «метаногенный» фильтрат мг/дм3: азот аммонийный, хлориды, шпраты, нитриты, ароматические углеводороды Дополнительные показатели: ионы тяжелых металлов, мг/дм3: свинца, хрома. хлорорганические соединения, мг/ дм3: хлорфенолы, хлороформ, четыреххлористый углерод
Таблица 6. Приоритетные показатели антропогенного воздействия на атмосферу
Расположение контрольных точек Контролируемые параметры
Этап эксплуатации
Территория полигона Метан, оксиды углерода (С0,С02), сероводород, аммиак, меркаптаны, летучие органические соединения ЛОС (бензол, толуол, ксилол, этилбензол), хлорсодержащие углеводороды (трихлорметан, хлорбензол, четыреххлористый углерод). Микробная обсеменениость.
Санитарно-защитная зона. В зоне преобладающего направления ветра Сероводород, меркаптаны, диоксид серы, диоксид азота, ЛОС, хлорбензол,
Этап рекультивации
Территория полигона Метан (взрывоопасные концентрации), сероводород, сумма углеводородов, ЛОС (бензол, толуол, ксилол, этилбензол), хлорбензол
Закрытые полигоны
Территория полигона Рекультивированный полигон Метан, сероводород, ЛОС (бензол, толуол, ксилол, этилбензол)
Использование математического моделирования для обоснования элементов диагностического мониторинга полигонов ТБО, Для обоснованного выбора показателей контроля, решения вопросов санитарного благополучия населения в зоне влияния полигонов ТБО необходимо
прогнозировать санитарную ситуацию, потоки и состав эмиссий. Длительность процессов разложения отходов не позволяет получить достоверных экспериментальных результатов по изменению состава эмиссий на различных стадиях биодеструкции. В этом случае методы моделирования процессов деструкции отходов, формирования объема и состава эмиссий являются надежным инструментом прогнозирования санитарной ситуации, а также позволяют создать базу для разработки параметрического прогнозного мониторинга полигонов ТБО. На основе исследования процессов биодеструкции отходов и формирования водного баланса полигона построены математические модели расчета объема фильтрационных вод на различных этапах эксплуатации полигона ТБО, прогнозирования эмиссий метана и изменения состава фильтрационных вод на различных этапах жизненного цикла полигона.
Закономерности формирования водного баланса полигона ТБО и математическая модель расчета объема фильтрационных вод.
Анализ всех составляющих водного баланса полигона и характер их изменения на этапах жизненного цикла полигона, позволил нам совместно с М.А. Тагиловым разработать модель расчета объема образующихся фильтрационных вод:
яф~ 5 ((Ло + А №тю) - ПС -И) (1)
где ()ф - расход фильтрата, м3/год; »У - площадь полигона, м2; Ао - количество атмосферных осадков м3/год; \Vteo - количество первичного фильтрата (отжимной влаги), м3/м3 ТБО год; А - среднегодовая высота слоя складированных ТБО, м; И - испарение с поверхности, м3/год; ПС- поверхностный сток, м3/год.
По разработанной модели был проведен предварительный расчет фильтрационных вод полигона ТБО г. Перми в период эксплуатации и рекультивации. Расчет объема фильтрационных вод, образующихся на рекультивируемой территории полигона (I этап) проведен для четырех вариантов: 1.1- исходное состояние свалки; 1.2 - подготовительный этап (система сбора и отвода фильтрата); 1.3 - этап эксплуатации (рекультивация существующих откосов свалки); 1.4 - рекультивированный полигон. После рекультивации существующего полигона, объединения рекультивированной части и карт перспективного развития в один объект выделено несколько этапов, на каждом из
которых будет значительно изменяться объем и состав стоков: П - этап эксплуатации карт перспективного захоронения отходов; Ш - этап устройства объединенного полигона; IV - рекультивированный объединенный полигон. Ввиду того, что рекультивируемая свалка располагается на водораздельном пространстве предлагается отвод стоков производить по двум направлениям - северному и южному. Результаты расчета представлены в табл. 7.
Таблица 7. Среднегодовые водные потоки рекультивируемого полигона
Расход воды основных потоков водною баланса полигона по расчетным этапам: всего (север/юг), тыс. м3 /год
I II III IV
1.1 1.2 и 1.4
Фильтрация в подземные горизонты 65.1 57.3 37.2 15.2 15.2 5.3 5.3
Поверхностный сток 62.1 (26.1/ 36.0) 62.1 (26.1/ 36.0) 95.0 (37.4/ 57.6) 131.1 (50.0/ 81.1) 95.2 (50.0/ 45.2) 90.6 (50.0/ 40.6) 131.1 (50.0/ 81.1)
Дренаж сточных вод 65.1 (27.6/ 37.5) 57.3 (19.8/ 37.5) 37.1 (12.9/ 24.2) 15.3 (5.3/ 10.0) 80.3 (5.3/ 69.7) 90.5 (5.3/ 85.2) 41.2 (5.3/ 35.9)
Разработка модели биодеструкции отходов и прогноза химического состава фильтрационных вод на различных этапах окизненного цикла полигона ТБО. Проанализированы существующие модели деструкции отходов и прогноза состава фильтрационных вод и эмиссий биогаза (физические, химические, биохимические), базирующиеся на фундаментальных исследованиях Н. Ве1еу|, Р. Ваши, М. Ваг1аг, Н. М0уед А. ВаИег, Т. СЬп51ешеп. Следует отметить, что в настоящее время не существует единого подхода к прогнозным оценкам состава фильтрата, расчета эмиссий биогаза, многие модели находятся в стадии разработки.
Анализ процессов деструкции отходов позволил разработать биохимическую модель разложения отходов на стадиях аэробной деструкции, активного и стабильного метаногенеза, представленную в табл. 8. Принималось, что в аэробной фазе биодеструкции подвергаются лепсоразлагае-мые пищевые отхода (брутто-формула С к>Н п^Оз^Мо^Б о,оз)> в анаэробных условиях - целлюлозо-содержащие фракции ТБО, на стадии стабильного метаногенеза - лигнин, а также неразложившая-ся часть целлюлозы.
Таблица 8. Основные биохимические реакции, протекающие при деструкции отходов
Стадия биодеструкцин Основные биохимические уравнения
1 Стадия аэробной деструкции 1. Биодеструкция пищевых отходов: + И 02-» 9,9С02 + 0,03 302 + ОАШН^ 0,05 С2Н402 + 8,\НЮ
2 Стадия гидролиза и ацетогене-за 2. Гидролиз целлюлозы: п(С(В}Оц^т+п тНгО -*пт С^Н,2Ой 3. Биодеструкция с образованием уксусной кислоты: пС^112О^И).4пШз(2)+пН2О-*2пСНиОв.^0.2+2пСО2+2,8пН2(г)+пС!Н4О}(Ж) 4.Биодеструкция с образованием пропионовой кислоты: пС^1иО^0.26п NHз(г)^2.63nC^JrsOe.sNo.2+OJ^nC02(4-*-]■4■^5nH20(Ж)+0.875nCsH602(Ж) + 0,133 пН2 5. Биодеструкция с образованием масляной кислоты: пС<ЛпОб+031пКНт-> 1.58пСН1ЛО0.$Лг1!.2{т.)+0,78пН2<г)+ 0.79пС41^02(Ж>+1~26пС02и}НЛпН/}^
3 Стадия активного метаногене-за 6. Пропионовав кислота -»уксусная кислота,- пСзН(02 + 2пНад пСгИфг + пСН4 7. Масляная кислота->уксусная кислота: пС4На02 + 2пН2 -> пС2Н402 +2пСН4 8. Углекислый газ -»метай: пСОг + 4пН2 пСН4 + 2пН20 9. Уксусная кислота-»метан: п С2Н402 —* пС02 + пСН4 10. Общее уравнение биодеструкции иеллюлозосодсржащих фракций ТБО на стадии активного ме-тзногепеза: пСбНнОб + 0,32пШ3(г)-> 0,64пСН,.гОо,^о.2+пО,96СН,.2Оо.,^е2+ 2,15пС021г)+ 2,24 пСН4 + О.ШИЮ
4 Стадия стабильного метано-генеза 11. Биодеструкция лигнина: С,оН,и()м+0£2пИНт -> О,64пСН1.гОЛ}&0.2+пО,96СН1.2О1)М.2 + 2,15пСО!(г)+ 2,24 пСН4 + 0,84пН20 12. Биодеструкция неразложнвшейся части целлюлозы: пСбП1206 + 032пМ13(г)-+0,64пСН1лО0!Н1).з+п0,96СНиОщЫа.2 + 2,15пС02(!)+ 2,24 пСН4+ 0,84пНгО
Целлюлозосодержащие отходы (СбНщСЬ), в расчетах представлены в виде глюкозы СбН^Об. В процессе биохимического разложения целлюлозы образуются летучие кислоты жирного ряда, биогаз, биомасса (CH1.gO0.5N0 2) и свалочный грунт - продукт гумификации отходов, представляющий собой органические соединения прогумусовой природы.
Сопоставление химического состава органической составляющей свалочных грунтов и гуми-новых веществ позволило смоделировать основной фрагмент ТСГ, установить его структурную и химическую формулу - ^НдеОо^Ыдо- Анаэробная стадия разложения отходов является наиболее длительной и формирующей основные эмиссии загрязняющих веществ. Для этой стадии на основании представленных биохимических реакций разработана упрощенная биохимическая модель формирования эмиссий, позволяющая с достаточной для практического использования точностью прогнозировать изменение состава фильтрационных вод по содержанию в них основных оргапиче-ских веществ и рассчитывать эмиссии биогаза:
лС6Н|206 (т)- п СбН,206 (ж) - «СзЕАю +" БСГ(Т) лСОад+ я СНад (2)
гидролиз ацетогенез метаногенез
где БСГ - биомасса и свалочный трунт.
На основе биохимической модели биодеструкции отходов разработана кинетическая модель, позволяющая без длительных экспериментальных исследований прогнозировать изменение состава фильтрата и объема биогаза во времени.
Формирование потохов загрязняющих веществ при разложении отходов может быть описано двумя последовательно протекающими реакциями и, следовательно, изменение состава фильтрата во времени и объем выделяющегося биогаза могут быть определены на основе кинетического уравнения последовательной реакции первого порядка:
А -> В С (3)
п СбНцОб (Т) -»п С^Оад—п СОцг)+ п СЕцГ)
где к\ - константа скорости реакции в фазе зцетогенеза, кг - константа скорости реакции в фазе метаногенеза.
Установлено, что для климатических условий Западного Урала величину константы скорости в стадии ацетогенеза можно принять равной 0,3 - 0,4, а в стадии метаногенеза к} - 0,070,09.
Изменение числа молей компонента В во времени (яг) и, следовательно, изменение состава фильтрата определяется как
(4)
где па кмоль - количество целлюлозосодержащей фракции в 1т ТБО, определенное на основе известного морфологического состава отходов. Учитывая объем образующихся ФВ Уф (м3/год),
массу складированных отходов ((}, т/год) и их влажность IV (массовая доля) формулу (4) можно преобразовать к виду
хпк = •'•°7 п, - в -(I - Г )—т - ,-'1 " >-1000 (5)
V " 2 " л I
где ХПК- г 02/м3, М- молярная масса уксусной кислоты (кг/кмоль), 1,07 - теоретическое значение ХПК уксусной кислоты (кг Сь/кг)
На основе полученной модели была разработана программа для прогноза уровня состава фильтрата. Модель была верифицирована при исследовании анализа химического состава ФВ полигона ТБО г. Перми, г.Чусового. По расчетам на 2005 год (после 27 лет депонирования отходов) величина ХПК ФВ полигона ТБО «Софроны» составила 4500 мгОг /дм3, что коррелирует с экспериментальными данными по анализу ФВ, отобранных из тела полигона (рис.2.).
Рис.2 . Изменение ХПК ФВ во времени
Модель прогноза состава ФВ дает результаты, достаточные для принятия практических решений при проведении диагностических исследований и выборе метода и технологии очистки ФВ.
Эмиссии биогаза (кмоль/т ТБО сух.) можно определить, решая кинетическое уравнение относительно компонента С:
«с .-..(и-г^-«"**-'") <6>
*2 ~ *1 *2 ~ к1
или в пересчете на объем биогаза, образующийся при разложении Мттеи тонн сухих биодегради-руемых ТБО (м3 при н.у.):
Скорость выделения биогаза (м3/год) Сможет бьггь определена по формуле:
(Г .22.4 .А^Ь-.-»!■') ®
«г -
Представленную модель можно использовать как при расчете объема метана и скорости его выделения на стадии активной эксплуатации (открытый полигон), так и на стадии рекультивации (закрытый полигон). Модель была апробирована при расчете скорости образования метана на полигоне ТБО г. Перми «Софроны» (рис.3). Замеры уровня биогаза проведенные нами в 2001-2003 г., показали значения потоков метана близкие к рассчитанным по предлагаемой методике, они коррелируют с данными, полученными аналитическими и расчетными методами на других полигонах ТБО (яа полигонах «Яблоновская» и «Угольная гавань» г. Санкт-Петербурга).
Рис. 3. Скорость образования метана на полигоне «Софроны»
Полученные в комплексных исследованиях данные о закономерностях биодеструкции ТБО, разработанные биохимическая и кинетическая модели разложения отходов, позволяющие прогнозировать изменение состава и объема эмиссий во времени, могут быть использованы для диагностики санитарного состояния полигона ТБО; при выборе технологий очистки фильтрационных вод и систем дегазации, а также для управления биохимическими процессами в теле полигона.
Принципы безопасного захоронения отходов и обоснование выбора комплекса инженерно-технических мероприятий, направленных на обеспечение гигиенических нормативов на территориях прилегающих к полигонам ТБО.
Для минимизации потенциальной санитарно-гигиенической опасности в конструкции полигона предусматриваются инженерные сооружения и защитные устройства, препятствующие проникновению загрязняющих веществ в объекты окружающей среды и прилегающие территории.
Для безопасного захоронения отходов предложен и обоснован принцип многобарьерной защиты, основанный на применении комплекса организационных и санитарно-технических мероприятий, направленных на снижение эмиссий, включающих управление качеством и количеством отходов, поступающих на захоронение и потоками эмиссий (дегазация тела полигона; отведение и очистка ФВ).
Управление объемом и качеством отходов, поступающих на захоронение. Управление объемом и качеством ТБО подразумевает внедрение раздельного сбора, сортировки, предварительной подготовки и покомпонентной утилизации ТБО. Раздельный сбор позволяет выделить поток отходов с высоким содержанием органических компонентов - пищевые и растительные отходы, поток токсичных отходов - медицинские, реактивы, батареи и аккумуляторы и т.п. Каждый поток должен проходить предварительную стадию подготовки с использованием физико-механических методов, механико-биологической переработки и компостирования (пищевые, растительные фракции ТБО).
Особое внимание при входном контроле следует уделять вопросам депонирования медицинских отходов (МО), являющихся одним из основных источников санитарно-эпидемиологической опасности полигона ТБО. В МО могут присутствовать возбудители многих инфекционных заболе-
ваний: туберкулеза, холеры, ботулизма, столбняка, кишечных инфекций, патогенные стафилококки и стрептококки и т. д. Отходы лечебно-профилактических учреждений должны подвергаться локальной первичной дезинфекции, затем в зависимости от класса опасности при условии раздельного сбора часть отходов ЛПУ поступает на полигон без дополнительной обработки, другая - перед захоронением подвергается обезвреживанию на термических установках. Наиболее токсичные и эпидемиологически опасные МО (отходы инфекционных отделений, онкологических клиник и др.) должны подвергаться дезинфекции и термическому обезвреживанию непосредственно в местах образования. При этом на полигонах ТБО могут депонироваться вторичные отходы, при условии отнесения их к III или IV классу опасности, что зависит в основном от содержания в них ионов тяжелых металлов.
Управление эмиссиями загрязняющих веществ полигона ТБО. Под управлением эмиссиями загрязняющих веществ полигона ТБО понимается контроль и регулирование биохимических процессов в массиве отходов; разработка инженерно-технических мероприятий и технологий по отведению и очистке фильтрационных вод, по дегазации тела полигона на различных этапах его жизненного цикла. На этапе активной эксплуатации полигона управление процессами в массиве отходов возможно за счет комплекса конструкщюнко-техколошческих параметров, регулирующих факторы внешнего воздействия; элементов противофильтрационной защиты основания и изоляции поверхности полигона, влияющих на водный и кислородный баланс полигона; содержания органического углерода (Сорг) в составе ТБО.
Управление метаногенезом на полигонах ТБО. Активное управление метаногенезом подразумевает регулирование входных и выходных потоков и включает научно обоснованный выбор комплекса мероприятий, направленных на снижение эмиссий и экологического риска, разработку эффективных систем дегазации полигона. Выбор мероприятий зависит от цели управления - удаление и утилизация биогаза, снижение газообразования.
При нынешнем состоянии российских полигонов основное внимание следует уделить разработке систем дегазации и очистке газовых выбросов, позволяющих уменьшить экологический
риск; предотвратить взрывы и пожары на полигоне, управлять миграцией биогаза. Выбор метода будет определяться объемами и скоростью накопления биогаза.
Анализ процесса метанообразования, основных свойств биогаза и существующих технологий дегазации позволили разработать критерии выбора систем дегазации в зависимости от этапа эксплуатации п мощности полигона: ресурсный (экономия/утилизация энергетических ресурсов); экологический (воздействие на атмосферу и на персонал полигона); экономический (капитальные и эксплуатационные затраты; предотвращенный ущерб, эффективность системы дегазации) и граничные условия применения системы (минимальная скорость эмиссии газа, давление в массиве отходов). При выборе сценария дегазации использовали методы АВС-анализа и экспертных оценок. На основе критериальных и методологических подходов к выбору способа дегазации полигонов разработаны рекомендации по управлению метаногенезом на этапах жизненного цпкла полигона.
На эксплуатируемом полигоне при эмиссиях биогаза менее 30 м3/час достаточна пассивная дегазация. При этом полигон должен быть оборудован газонепроницаемым экраном и системой газовых скважин или колодцев для естественного выхода биогаза за счет возникающей разности давлений внутри полигона и на поверхности и его рассеивания в атмосфере. При значительных эмиссиях биогаза не менее 90 млн. м3/год (активная фаза метаногенеза) необходима разработка системы активной дегазации - сбора, откачивания биогаза компрессорными станциями, очистки его от токсичных примесей и утилизацией с получением энергии.
На закрытом полигоне (этап рекультивации и пострекультивационный период) осуществляется сбор и утилизация биогаза с использованием газосборных вертикальных скважин на всю глубину отходов, при пассивной дегазации - вентиляционных отверстий, траншей (система действует до 20-30 лег после закрытия). Активная дегазация целесообразна при эмиссиях биогаза более 60 м3/час. На стабильной стадии метаногенеза для уменьшения влияния биогаза на окружающую среду, необходима его очистка от токсичных веществ и одорантов, например, с использованием био-сорбционных фильтров.
Отведение и очистка. Фильтрационные воды являются основным источником загрязнения поверхностных и подземных вод в зоне влияния полигона, могут оказывать неблагоприятное воз-
действие на прилегающие территории, поэтому при обустройстве современного полигона захоронения ТБО должна быть обеспечена надежная защита объектов гидросферы, которая невозможна без проведения мероприятий по отводу ФВ и разработки эффективных технологий их очистки.
Проведенный анализ процессов биодеструкции ТБО, формирования ФВ позволил установить их основные особенности: сложный химический состав, представленный как органическими, так и неорганическими примесями и изменяющийся на каждом этапе жизненного цикла полигона; значительное отличие от промышленных и муниципальных сточных вод; зависимость объема и состава ФВ от сезонных колебаний количества атмосферных осадков; высокое содержание токсичных компонентов и биорезистентных примесей; наличие патогенных микроорганизмов.
Разработаны основные эколого-экономические и санитарно-гигиенические принципы выбора технологий очистки фильтрационных вод, которые предусматривают:
-применение эффективных организационных и технических решений и технологий, адекватных климатическим условиям, этапу жизненного цикла полигона, экономическим возможностям;
-маневренность в управлении процессом очистки при изменении состава сточных вод в результате сезонных колебаний уровня атмосферных осадков и этапа жизненного цикла полигона; -обеспечение гигиенической безопасности очищенных фильтрационных вод; -использование низкоэнергозатратных и малотрудоемких технологий; -использование в технологии очистки доступных и дешевых материалов, преимущественно, отходов производств, обладающих коагулирующими, сорбционными, ионообменными свойствами и др.
Обоснованный выбор технического решения с учетом разработанных принципов может быть реализован при сопоставлении химического состава фильтрационных вод на каждом этапе жизненного цикла полигона и соответствующих этому составу методов очистки.
Для проектируемых полигонов наиболее перспективными являются блочно-модульные технологические схемы очистки фильтрационных вод, позволяющие управлять процессом при изменяющемся на этапах жизненного цикла объеме и составе сточных вод. На первом этапе эксплуатации полигонов технологические схемы должны содержать блоки очистки от ионов тяжелых метал-
лов, взвешенных и коллоидных частиц, последовательной анаэробно-аэробной очистки; физико-химической доочистки и обеззараживания. На этапах метаногенеза и гумификации отходов в ФВ будут накапливаться биорезистентные примеси, гумиковые соединения, уменьшаться концентрация ионов металлов и снижаться эффективность биохимической очистки. В этом случае, используя имеющиеся сооружения, можно изменить их функциональную направленность, очередность операций: предварительная физико-химическая очистка от окрашенных и биорезистентных примесей, биохимическая аэробная очистка с доочисгкой физико-химическими методами.
Использование блочно-модульных технологий очистки позволяет управлять процессом на протяжении всего жизненного цикла полигона. Для очистки фильтрационных вод полигонов ТБО, находящихся на стадии рекультивации и постэксилуатации, целесообразно использовать малотрудоемкие технологии, основанные на биосорбяионных, электрохимических и биологических (биопруды) методах.
Выбор способа очистки будет зависеть от объема образующихся фильтрационных вод, их состава и концентрации, гидрогеологических особенностей площадки, требуемой степени очистки (вторичное использование, выпуск в открытый водоем), экономических возможностей.
Разработка научно-методических основ системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО. Санитарно-гигиенический мониторинг полигонов ТБО представляет собой систему мероприятий, направленных на организацию наблюдения за санитарно-гигиеническим состоянием полигона ТБО и территорий его влияния; оценку его воздействия на санитарное благополучие населения, прогнозирование изменений; установление, предупреждение, ликвидацию или существенное уменьшение риска для здоровья населения. Проведенные исследования по оценке санитарно-гигиенической ситуации на этапах жизненного цикла полигонов ТБО позволили разработать основные принципы санитарно-гигиенического мониторинга:
• организация наблюдений за источниками загрязняющих веществ и объектами окружающей среды в зоне влияния полигона ТБО, обеспечивающая получение достоверной и объективной информации (создание инженерной инфраструктуры - сети наблюдений с учетом метеорологических, ландшафтных, гидрогеологических, технико-экономических и социальных факторов);
• выбор перечня наблюдаемых параметров в соответствии с этапом жизненного цикла полигона, обеспечивающих получение полной информации о санитарно-гигиеническом состояний объекта и прилегающих территорий;
• применение расчетных методов прогнозирования санитарной ситуации на этапах жизненного цикла полигона, основанных на моделях деструкции отходов, условиях формирования эмиссий и их распространения в окружающей среде;
• обработка получаемой информации на основе современных научных решений с использованием эффективных электронно-вычислительных комплексов и информационно-аналитических систем;
• системный анализ и оценка получаемой информации с целью разработки мероприятий по обеспечению соблюдений санитарно-гигиенических нормативов.
В соответствии с представленными принципами разработаны алгоритмы проведения мониторинга на каждом этапе жизненного цикла полигона.
Инвестиционно-строительный этап. В системе санитарно-гигиенического мониторинга большое значение должно уделяться первоначальному инвестиционно-строительному этапу жизненного цикла полигона, на котором целесообразно проведение диагностического мониторинга, направленного на контроль выполнения гигиенических нормативов и санитарных требований, мероприятий и технических решений, представленных в проекте. Диагностический мониторинг осуществляется на стадиях отвода земельного участка, разработки проектной и рабочей документации, строительстве и приемки объекта в эксплуатацию. Диагностический мониторинг базируется на математическом моделировании процессов биодеструкции отходов и позволяющий прогнозировать потоки эмиссий загрязняющих веществ в завимости от мощности полигона, его морфологического состава. Алгоритм осуществления системы мониторинга на этапе инвестиционно-строительных работ представлен на рис. 4.
Этап эксплуатации. В период эксплуатации полигона проводится текущий мониторинг, направленный на контроль соблюдения гигиенических нормативов и показателей санитарного состояния природной среды.
Рис.4. Алгоритм процедуры ведения мониторинга на этапе инвестиционно-строительных работ.
Для контроля санитарной ситуации на полигоне и обеспечения санитарного благополучия прилегающих территорий анализ объектов окружающей среды должен осуществляться как по общесанитарным, так и по санитарно-эпидемиологическим показателям. Гигиеническими критериями оценки загрязнения воды поверхностных водоемов и подземных вод являются действующие нормативы на содержание вредных веществ в воде рыбо-хозяйственного назначения. Алгоритм проведения текущего мониторинга полигона ТБО на этапе активной эксплуатации представлен на рис.5.
Этап рекультивации. На этапе рекультивации полигона должен осуществляться диагностический и текущий мониторинг. Закрытие полигона и перепрофилирование работы отдельных сооружений обосновывается проектом рекультивации полигона.При рекультивации должны быть внесены коррективы в эксплуатацию и аппаратурное оформление процессов очистки фильтрационных вод, дегазации полигона и очистки биогаза от дурнопахнущих и токсичных веществ (площадные биосорбционные фильтры, насадочные сорбционные фильтры и др.). На этом этапе формируется свалочный грунт, поэтому в программу мониторинга необходимо включать наблюдения за его состоянием. Полученная информация позволяет оценить санитарную ситуацию на полигоне и прилегающих территориях, осуществить обоснованный выбор использованиярекультивирован-ной территории захоронения в народно-хозяйственных целях (застройка, ландшафтный дизайн, лесопосадка и др.). В главе представлены разработанные программы проведения мониторинга атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, растительного покрова, почв на различных этапах эксплуатации полигона. Реализация санитарно-гигиенического мониторинга по разработанной системе обеспечит сбор и анализ текущей информации о состоянии природных объектов в зоне влияния полигона и санитарно-гигиеническом благополучии прилежащих территорий па каждом этапе жизненного цикла полигона.
Важным инструментом и составной частью санитарно-гигиенического мониторинга является информационно-аналитическая система (НАС), обеспечивающая сбор, обработку, накопление и анализ результатов наблюдений.
ТЕКУЩИЙ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ
Рис.5. Алгоритм проведения текущего мониторинга полигона ТБО на этапе активной эксплуатации
Цель создания ИАС - управление информационными потоками для обеспечения принятия обоснованных решений по управлению санитарно-гигиенической ситуацией. Структура разработанной ИАС санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО представлена на рис.6 . Главными структурными элементами ИАС являются геоинформационные системы (ТИС), система управления базами данных и аналитический блок. Основными функциональными модулями системы являются:
• автоматизированные рабочие места пользователей и ГИС - специалистов;
• подсистема сбора, ввода, преобразования (импорт, экспорт) и архивация внешних данных;
• электронная база исследований ;
• база данных Arc View GIS;
• блок аналитики;
• базы данных с внутренней и внешней информацией, банки данных и знаний по моделям, природным объектам и т.д.;
• формирование отчета;
• принятие управленческих решений.
Отличием этой системы от других подобных является дополнение ее аналитическим блоком, включающим моделирование процессов формирования потоков загрязняющих веществ, их миграции в окружающей среде и пространственный анализ (элементы ГИС). Блок моделирования включает модели и обращение к реализующим алгоритмы расчета программным продуктам. Для оценки влияния объектов захоронения отходов на окружающую среду актуальными являются следующие модели: формирование водного баланса полигона ТБО; образование и состав сточных вод; образование эмиссий биогаза; рассеивание эмиссии загрязняющих веществ в атмосфере и т.д. Использование разработанной ИАС позволяет эффективно управлять санитарно-гигиенической ситуацией на полигонах на протяжении всех этапов жизненного цикла и прогнозировать возможные риски здоровью населения. ИАС была апробирована при формировании базы данных результатов мониторинговых исследований полигона ТБО «Софроны».
исаи!«.:<м>яи); -пщос^ры, --ямосфвры;
¡ШИр^го покрова;
Ш'
У^алити^есшй блок (обработка, импорт, экспорт)
- Моделирование
• Формирования водного баланса полигона ТБО;
• Образование й состав фильтрационные вод;
• Образование метана;
« Расспиваиие Э1йиссии за,грязня1ощи2 веществ в атмосфере;
® ГеоЛильтоаиия и геомигоаиия загпязнениЙ и
- ГфостранстветвЕЛЙ ажшш
• Изменение параметров отно сдельно ПДК и между собой в пределах одного объекта;
• Про фи ль распределения загрязнения относительно объекта воздействия,
• Оценка интегральных показателей загрязнения объектов и др.
Отчет -оценка и прогноз -принятие решений
Рис. 6. Схема информационно-аналитической, системы мониторинга объектов размещения отходов
ВЫВОДЫ:
1. На основании теоретического анализа процессов деструкции ТБО, формирования эмиссий и их воздействий на объекты окружающей среды выявлена взаимосвязь качественного и количественного состава, а также объема эмиссий от морфологического состава ТБО, этапа жизненного цикла, технологии складирования, водного баланса полигона ТБО.
2. Санитарно-гигиеническая оценка, проведенная на основе комплексного, углублённого исследование полигонов захоронения ТБО г.Перми и Пермского края, выявила их негативное влияние: в подземных водах наблюдается превышение по следующим нормативным параметрам: ХПК - до 34,8 ПДК и БПК5 - до 90,66 ПДК, Г^-Ш/- до 7,5 ПДК, С1" и по сухому остатку - до 6 ПДК, фенолам - до 5 ПДК, ионам Мп+2 - до 66 ПДК; в поверхностных водах - по сухому остатку - до 2000 ПДК, ХПК - до 14 ПДК, БПК5 - до 40 ПДК, Реобш - до 90 ПДК, Мп2+ - до 48 ПДК, по содержанию взвешенных веществ - до 10 ПДК, фенолов - до 20 ПДК, нефтепродуктов - 3 - 20 ПДК.
Доказана эпидемиологическая значимость эмиссий полигона: выявлены условно-патогенные и патогенные виды микроорганизмов в депонированных отходах, фильтрационных водах, формирующемся свалочном грунте. На территории полигона в снеговом покрове отмечено превышение ОМЧ, индексов Е.соН, ЛКП в 2.2, 10, 3 раз, в поверхностных водах в СЗЗ индекса ЛКП в 2 раза. Установлена безопасность свалочных грунтов, сформировавшихся в течение 25 лет после закрытия полигона. За это время на рекультивированной территории полигона захоронения ТБО формируется микробиологическое сообщество, близкое по структуре к дерново-подзолистой почве.
Определены приоритетные показатели, являющиеся критериями оценки факторов воздействия полигонов на объекты окружающей среды и санитарно-гигиеническое состояние прилегающих территорий.
3. На основании микробиологических исследований установлен качественный и количественный состав микробных популяций, формирующихся при биодеструкции отходов. Выявлены индикаторные показатели, как дополнительные критерии, оценки санитарно-гигиенического состояния полигонз, характеризующие интенсивность и стадию протекающих процессов биодеструкции от-
ходов: количество сапрофитных бактерий; общее количество микроорганизмов; коэффициент минерализации (КАА/МПА); индикаторы на биогенлость (присутствие белка, целлюлозоразрушаю-щие микроорганизмы); дегидрогеназная активность; титр Coli, титр Cl. perfringens; индикаторы меганогенеза - метаногенные бактерии.
4. На основе разработанной биохимической модели деструкции отходов построены с достаточной дня принятия практических решений точностью математические модели (формирование водного баланса полигона, объема образующихся фильтрационных вод и биогаза, изменение химического состава фильтрационных вод на различных этапах жизненного цикла), а также разработана методология их использования при проведении диагностического санитарно-гигиенического мониторинга.
5. Теоретически обоснованы методологические подходы безопасного депонирования ТБО на основе выбора оптимального комплекса инженерно-технических решений по управлению потоками эмиссий с использованием критериев оценки их эффективности, как составляющей части многобарьерной защиты (управление качеством и количеством отходов; выбор места размещения полигона; противофильтрационная защита основания полигона; изоляция поверхности складированных отходов; управление потоками эмиссий). Выбранный оптимальный комплекс решений по управлению потоками эмиссий с учетом этапов жизненного цикла полигона захоронения ТБО, обеспечивает соблюдение гигиенических нормативов и исключение неблагоприятного воздействия на население.
6. На основании установленных закономерностей формирования эмиссий загрязняющих веществ, обусловливающих санитарно-гигиеническую опасность полигонов захоронения ТБО, и проведенных исследований по влиянию загрязняющих веществ на объекты окружающей среды впервые разработана система санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО, включающая взаимосвязанные элементы: диагностический на инвестиционно-строительном и текущий на последующих этапах жизненного цикла, как объектовая составляющая социально-гигиенического мониторинга. Разработанная система санитарно-гигиенического мониторинга -эффективный инструмент санитарно-гигиенической оценки техногенных экологических нагрузок,
обоснования управленческих решений и координации сил и средств на приоритетных направлениях, обеспечивающих исключение неблагоприятных воздействий полигонов ТБО. 7. Разработана и поэлементно внедрена (СУБД, ГИС, аналитический блок) концептуальная схема информационно-аналитической системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО, позволяющая эффективно управлять санитарно-гигиенической ситуацией на протяжении всех этапов жизненного цикла полигона и прогнозировать возможные риски.
Список работ, опубликованных по теме диссертации: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Зомарев A.M. Обоснование параметров санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО методами математического моделирования / Зомарев A.M., Вайсман Я.И., Рудакова Л.В., ГлушанковаИ.С. //Пермский медицинский журнал.-2005.- Т.22.- №4. - С. 102-109.
2. Зомарев A.M. Организация санитарно-гигиенического мониторинга на полигонах твердых бытовых отходов / Зомарев А.М., Вайсман Я.И., Рудакова Л.В., Глущанкова И.С. // Наука - производству. - 2006.- №1.- С.67-69.
3. Зомарев А.М. Организация системы обращения с медициискими отходами / Кельберг Е.В, Зомарев А.М.//Пермский медицинский журнал. - 2006,- Т. 23.-№4.-С.153-158.
4. Зомарев A.M. Мониторинг атмосферного воздуха в зоне влияния полигона твердых бытовых отходов//Здоровье населения и среда обитания. - 2007.- №2(167).- С.48-53.
5. Зомарев A.M. Санитарно-эпидемиологические вопросы организации обращения с отходами в лечебно-профилактических учреждениях // Здоровье населения и среда обитания. - 2007. -
№3(168).- С.21-25,
6. Зомарев A.M. Организация информационно-аналитической системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО // Пермский медицинский журнал. - 2008. - Т.25. -№3. - С.122-125.
7. Зомарев A.M. Изменение микробиоценозов и санитарно-гигиеническое, эпидемиологическое состояние полигонов ТБО на этапах жизненного цикла / Зомарев А.М., Зайцева 'Г.А. // Дезинфекционное дело. - 2009. -№11. -С.30-35.
8. Зомарев А.М. Санитарно-гигиеническое состояние полигонов захоронения твердых бытовых отходов на этапах жизненного шасла / Зомарев А.М., Вайсман Я .И., Зайцева Т.А., Глушанкова И.С. // Гигиена и санитария. - 2010. - №1- С.39-42.
9. Устройство для отбора проб снега: пат. № 2247351 Рос. Федерация / Вайсман Я.И., Батракова Г.М., Зомарев А.М. и др. эаяв.2003113146/12; заявл. 05.05.2003; опубл. 20.08.02. Бюл. №6. - 6 с. Монографии:
10. Вайсман Я.И., Кельберг Е.В., Коротаев В.Н., Зомарев А.М. Обращение с отходами лечебно-профилактических учреждений. Управление отходами/ Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2006,- 241 с.
11. Зомарев А.М. Санитарно-гигиенический мониторинг полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов/ Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2007. - 218 с.
12. Вайсман Я.И., Коротаев В.Н., Петров В.Ю., Зомарев А.М. Управление отходами. Полигоны захоронения твёрдых бытовых отходов/ Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2007. - 464 с. Публикации в других изданиях:
13. Зомарев А.М., Караксина И.Б., Вержбицкий Ф.Р. О методах определения цветности вод при оценке санитарного состояния водоемов / Химия, технология и промышленная экология пеоргани-ческих соединений: сб. науч. тр. // Пермь. - Изд. ПГТУ. - 1999. - С.49-55.
14. Батракова Г.М., Зомарев А.М. Мониторинг полигонов захоронения твердых бытовых отходов // Тр. II Междунар. конгресса по управлению отходами "Вейстэк - 2001". - М. - 2001. - С.140-141.
15. Zomarev А. Modellierung des Volumens und der geschwindigkeit von biogasemissionen // Materialien des Wissenschaftsforums Ökologie. Auf dem Universtitatscampus. Ökologische Sektion. Lüneburg. -2001. -s. 24-29.
16. Zomarev A. Die raumanalyse und die einschaetzimgmodelle der einwirkung auf die umweit // Materialien des Wissenschaftsforums Ökologie. Auf dem Universtitatscampus. Ökologische Sektion. Lüneburg. - 2001. - s. 29-36.
17. Зомарев A.M., Батракова Г.М. Комплексная оценка загрязненности фильтрата с территорий захоронения отходов // Тр. II Международного конгресса "Экватэк-2002", М. - 2002. - С.416.
18. Зомарев A.M., Благинина Н.П., Батракова Г.М. Комплексная оценка загрязненности фильтрационных вод территорий, отведенной под захоронение отходов // Образование и наука - производству: сб. науч. тр. - Пермь. - Изд. ПГГУ. - 2001. - С.31-38.
19. Рекомендации по сбору, очистке и отведению сточных вод полигонов захоронения полигонов твердых бытовых отходов / Вайсман Я.И., Рудакова Л.В., Батракова Г.М., Зомарев А.М. М. - 2003. -47 с.
20. Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронения твердых бытовых отходов / Вайсман Я.И., Максимова C.B., Глушанкова И.С., Зомарев A.M. Москва. -2003.-26С.
21. Батракова Г.М., Зомарев A.M. Аспекты санитарной и экологической безопасности полигонов захоронения бытовых отходов // Материалы XXX научно-технической Всероссийской конференции АДФ ПГТУ. - Пермь: Изд. Перм. гос. техн. ун-т., 2003. - С.65-68.
22. Рекомендации по выбору систем дегазации и разработке технологий очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов ! Вайсман Я.И., Глушанкова И.С., Максимова C.B., Рудакова Л.В., Коротаев В.Н., Батракова Г.М., Зомарев A.M. Пермь. - 2004. - 45 с.
23. Зомарев A.M. Микробиологическая характеристика свалочных грунтов / Вайсман Я.И., Батракова Г.М., Зайцева Т.А., Зомарев A.M. // Экология окружающей среды стран СНГ: тез. докл. конф., Одесса. - 2004.-С.48-53.
24. Рекомендации по организации экологического мониторинга и производственного экологического контроля полигонов захоронения твердых бытовых и промышленных отходов / Вайсман Я.И., Рудакова Л.В., Батракова Г.М., Зомарев A.M. M. - 2005. - 72 с.
25. Зомарев A.M. Общие принципы организации санитарно-гигиенического мониторинга на полигонах ТБО Н Актуальные проблемы автомобильного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе: материалымеждунар. конф-Пермь:Изд. Перм. гос. техн. ун-т., 2005. -C.4I9-422.
26. Зомарев A.M., Глушанкова И.С., Рудакова Л.В. Организация санитарно-гигиенического мониторинга на полигонах захоронения твердых бытовых отходах // Материалы научно-технического конгресса по безопасности. - М. - 2005. - С.305-306.
27. Зомарев A.M. Санитарно-эпидемиологическая ситуация на полигонах захоронения твердых бытовых отходов / Зомарев A.M., Зайцева Т.А. // Социально-гигиенические и эпидемиологические проблемы сохранения и восстановления здоровья военнослужащих и населения: сб.тр. III Межрегиональной пракг. конф., Н.Новгород, - 2006. - С.36-37.
28. Зомарев A.M. Санитарно-гигиеническая характеристика политопа ТБО г. Перми и его роль в загрязнении окружающей среды // Актуальные вопросы гигиены и эпидемиологии: Сб. науч. трудов, посвященных 75-летию образования медико-профилактического факультета. - Пермь: Изд. ГОУ ВПО «ПГМА» Росздрава, 2006. - С.88-93.
29. Зомарев A.M. Мониторинг водных объектов в зоне влияния полигона ТБО // Тр. Междунар. конгресса "Экватэк-2006". - М. - 2006. - С. 301.
30. Зомарев A.M. Общие принципы организации санитарно-гигиенического мониторинга на полигонах захоронения твёрдых бытовых отходов (ТБО) // Материалы V междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Пермь: Изд. Перм. гос. техн. ун-т., 2006. -С.73-78.
31. Зомарев A.M. Создание информационно-аналитической системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) // Материалы V междунар. пауч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Пермь: Изд. Перм. гос. техн. ун-т., 2006. - С.79-82.
32. Зомарев A.M., Рудакова Л.В., Глушанкова И.С. Принципы организации мониторинга поверхностных и подземных вод в зоне влияния полигона ТБО // Тр. Междунар. конгресса "Экватэк-2006". - М„ 2006. - С. 296-298.
33. Зомарев A.M. Проекг санитарной очистки лечебно-профилактических учреждений / Вайсман Я.И., Коротаев В.Н., Кельберг Е.В., Зомарев A.M. // Журнал ТБО. - 2007. -№7(13). - с. 29-33.
34. Зомарев A.M. Научно-методические основы организации санитарно-гигиенического мониторинга на полигонах твердых бытовых отходов // Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса. Охрана окружающей среды: сб. науч. тр, - Пермь. - Изд. Перм. гос. техн. ун-т., 2007. -С.198-214.
35. Зомарев A.M. Использование математического моделирования для обоснования элементов параметрического и диагностического мониторинга полигонов ТБО на примере расчета объема образования фильтрационных вод // Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса. Охрана окружающей среды: сб. науч. тр. - Пермь. - Изд. Перм. гос. техн. ун-т., 2007. - С.215-229.
36. Зомарев A.M. Разработка информационно-аналитической системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО // Сб. докл. междунар. конгресса по управлению отходами и природоохранным технологиям: "Вэйстэк - 2007". - М., 2007. - С.256.
37. Зомарев A.M. Санитарно-гигиеническая оценка состояния полигона твердых бытовых отходов и прилегающих территорий / Зомарев A.M., Зайцева Т.А., Глушанкова И.С. // Вестник Российской военно-медицинской академии. - 2008. - № 2(22). - С.792-793.
38. Зомарев A.M. Организация мониторинга и контроля санитарно-эпидемиологического состояния полигонов захоронения твердых бытовых отходов и прилегающих территорий // Вестник Российской военно-медицинской академии. - 2008. - № 2(22). - С.791 -792.
39. Зомарев A.M. Комплексная оценка свалочных трунтов рекультивированных полигонов ТБПО / Зомарев A.M., Зайцева Т.А. // Инновации в теории и практике обращения с отходами: материалы международ, научн,- практ. конф. - Пермь. - Изд-во Пер.м. гос. техн. ун-т., 2009. - 376-384.
Подписано в печать 5.07.2010. Формат 60*90/16. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1896/2010.
Издательство
Пермского государственного технического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.113 тел.(342)219-80-33
Текст научной работы по медицине, диссертация 2010 года, Зомарев, Александр Михайлович
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКИ РФ ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНР1ЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
052011 50362 На пРавах РУ£9ПИСИ
па правах рукої
ЗОМАРЕВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ
САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИИ МОНИТОРИНГ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ (ТБО) НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора медицинских наук
14.02.01 - гигиена
Научный консультант-доктор медицинских наук, . профессор Вайсман Я.И.
ПЕРМЬ 2010
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5 Глава 1. Комплексный анализ воздействия полигонов захоронения ТБО
на объекты окружающей среды и прилегающие территории 14
1.1. Основные факторы, влияющие на формирование эмиссий и санитарно-эпидемиологическую опасность полигонов ТБО 14
1.1.1. Морфологический состав ТБО 18
1.1.2. Жизненный цикл полигона ТБО 21
1.1.3. Технология складирования и инженерная инфраструктура полигона ТБО 37
1.1.4. Предварительная обработка отходов 43
1.2. Характеристика химического и микробиологического состава 45 фильтрационных вод
1.2.1. Характеристика химического состава фильтрационных вод 45 на этапах жизненного цикла полигона
1.2.2. Микробиологический состав фильтрационных вод 52
1.2.3. Эпидемиологическая опасность 55
1.3. Химический состав и свойства биогаза 55
1.4. Отечественный и зарубежный опыт организации мониторинга полигонов захоронения ТБО и управления санитарной ситуаци- 58 ей
Глава 2. Объемы и методы исследований 64
2.1. Определение морфологического и химического состава твердых 66
бытовых отходов
2.2. Методы физико-химических исследований фильтрационных вод полигона, поверхностных и подземных вод в зоне его влияния
2.3. Методы физико-химических исследований свалочных грунтов,
71
почвы, биогаза и атмосферного воздуха
2.4. Методы санитарно-бактериологического и микробиологического исследования депонированных отходов, снеговых проб, фильтрационных и природных вод, донных отложений, свалочного грунта
2.5. Статистическая обработка результатов
Глава 3. Санитарно-гигиеническая характеристика полигонов ТБО 87 на этапах жизненного цикла
3.1. Общая характеристика площадки захоронения полигона ТБО 87 «Софроны» г. Перми
3.2. Анализ формирования морфологического состава отходов 94
3.3. Анализ формирования химического состава фильтрационных 96 вод
3.4. Анализ образования и состав биогаза на полигоне 111
3.5. Анализ химического состава свалочного грунта 115
3.6. Оценка санитарно-гигиенического состояния полигона ТБО 117 г. Перми «Софроны» по санитарно-бактериологическим показателям
Глава 4. Исследование микробиоценозов полигонов ТБО на этапах жиз- 132 ненного цикла для оценки его санитарно-гигиенического состояния
4.1. Структура микробных популяций депонированных ТБО 132
4.2 .Структура микроорганизмов фильтрационных вод 143
4.3. Микробиологические сообщества рекультивированных объек- 146 тов размещения отходов
4.4. Закономерности микробиологической трансформации органиче- 155 ских веществ на различных этапах жизненного цикла свалочных образований
Глава 5. Использование математического моделирования для обоснова- 161 ния элементов диагностического мониторинга полигонов ТБО
5.1. Моделирование процессов формирования объема фильтрацион- 162 ных вод
5.2. Моделирование процессов формирования потоков эмиссий 167
5.2.1. Моделирование процессов биохимической деструкции ТБО 168
5.2.2. Кинетическая модель процессов формирования эмиссий 175
5.2.3. Моделирование состава фильтрационных вод 177
5.2.4. Моделирование объема и скорости выделения биогаза \ 80
Глава 6. Принципы безопасного захоронения отходов и обоснование
выбора комплекса инженерных и технических решений, направленных 186 на обеспечение гигиенических нормативов на территориях прилегающих к полигонам ТБО
6.1. Принцип многобарьерности при захоронении ТБО 1 §5
6.2. Управление отходами лечебно-профилактических учреждений 186
6.3. Управление эмиссиями загрязняющих веществ полигона ТБО 192
6.3.1. Контроль и регулирование биохимических процессов 192 в массиве отходов
6.3.2. Управление метаногенезом на полигонах ТБО 196
6.3.3. Обоснование инженерно-технических мероприятий и тех- 206 нологий по отведению и очистке фильтрационных вод
Глава 7. Разработка научно-методических основ системы санитарно- 222 гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО
7.1. Общие принципы организации санитарно-гигиенического мони- 222 торинга на полигонах ТБО
7.2. Мониторинг атмосферного воздуха в зоне влияния полигона 239 ТБО
7.3. Мониторинг поверхностных и подземных вод в зоне влияния по- 247 лигона ТБО
7.4. Мониторинг загрязнения почвенного и растительного покрова 255
7.5. Производственный санитарно-гигиенический контроль 259
7.6. Создание информационно-аналитической системы санитарно- 265 гигиенического мониторинга полигонов ТБО
7.6.1. Структура информационно-аналитической системы сани- 265 тарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО
7.6.2. Пространственный анализ и модели оценки воздействия по- 279 лигона ТБО на окружающую природную среду
Выводы 283
Литература 286
Приложения 313
ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения, проживающего на территориях, прилегающих к полигонам захоронения твердых бытовых отходов (ТБО), является одной из крупных нерешенных санитарно-гигиенических и социальных проблем.
На полигонах ТБО в течение длительного времени протекают сложные многостадийные процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями биогаза, образованием фильтрационных вод, загрязнением почв токсичными органическими и неорганическими примесями Н.В. Русаков, 1994-2009; Н.Ф. Абрамов, 1998; Я.И. Вайсман, 2001; В.Н. Коротаев,2001; Р.Вгиппег,1995; М. ВаНаг, 1990; Я. Наш, 1989. Складирование отходов коммунального хозяйства, медицинских учреждений создает эпидемиологическую опасность объектов за-
I
хоронения.
Применяемые в настоящее время технологии депонирования ТБО не гарантируют необходимый уровень санитарно-гигиенической безопасности полигонов для населения прилегающих территорий и объектов окружающей среды. Эффективное управление санитарной ситуацией на полигонах ТБО и прилегающих территориях, проведение оптимальных инженерных мероприятий, направленных на снижение нагрузки на население и окружающую среду возможно при получении адекватной информации о состоянии этих объектов и принятия необходимых управленческих воздействий.
В целях обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия населения, устранения вредного влияния среды обитания человека на его здоровье в России с 1994 г. проводится социально-гигиенический мониторинг (СГМ), сбор и анализ данных о состоянии окружающей среды и ее влияния на здоровье и санитарные условия жизни населения. Основные принципы и методические подходы по реализации СГМ разработаны достаточно полно (Г.Г. Оншценко, 2000-2009; А.И. Потапов и соавт., 1995-2002; Ю.А. Рахманин, 2007; Н.В. Зайцева и соавт., 1994-2009 и др.). Вместе с тем, как свидетельствует санитарная практика и результаты исследований Н.В. Русакова, 1995-2009; Н.Ф. Абрамова,
2002; ЯЖВайсмана, 1999-2003; А.П. Щербо, 1999; A.C. Матросова A.C., 2006, и др., методические вопросы организации наблюдений и контроля санитарно-гигиенической ситуации на полигонах ТБО и в зонах их влияния разработаны недостаточно. Используемая в настоящее время в практике ведения мониторинга полигонов захоронения ТБО и зон их возможного влияния методическая база не позволяет в полной мере учитывать их специфические особенности как объектов повышенной санитарной опасности с меняющимся во времени комплексным загрязняющим воздействием на различных этапах их жизненного цикла. Недостаточно полно используются современные информационные технологии, позволяющие, в частности, на основе создания информационно-аналитических систем (ИАС) получать адекватную информацию в ходе ведения СГМ для повышения эффективности надзорной деятельности и научного анализа факторов среды обитания, влияющих на здоровье и условия жизни населения. В этой связи, актуальна проблема разработки системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО, как составной части СГМ, основанной на современных методических подходах и учитывающая специфические особенности этих объектов.
Решение проблемы сдерживает отсутствие адекватных методических- подходов к комплексной санитарно-гигиенической оценке воздействия полигонов ТБО на объекты окружающей среды, а также результатов репрезентативных исследований их состояния по физико-химическим и микробиологическим показателям с учетом этапов жизненного цикла.
Отличительными особенностями функционирования полигона ТБО являются длительность его жизненного цикла и изменение количественных и качественных характеристик эмиссий загрязняющих веществ в процессе деструкции отходов и ассимиляции получаемых при этом конечных продуктов в окружающей среде. С учетом этого санитарно-гигиенический мониторинг должен базироваться с одной стороны на регулярных аналитических исследованиях объектов окружающей среды в зоне влияния полигона, с другой стороны - на прогнозных оценках изменения объема и состава эмиссий загрязняющих веществ.
Применяемые в настоящее время методики расчета эмиссий биогаза, объема и состава образующихся фильтрационных вод не учитывают стадии жизненного цикла полигона ТБО, биохимические механизмы деструкции отходов и часто не адекватны реальным условиям.
Недостаточно полно разработана методология обоснования и внедрения комплекса мероприятий по обеспечению санитарно-гигиенической безопасности полигонов ТБО и прилегающих территорий. В связи с этим актуально решение задачи обоснования принципов безопасного захоронения отходов и разработки критериев выбора оптимального комплекса инженерных и технических мероприятий по обеспечению гигиенических нормативов в зоне воздействия полигонов ТБО.
Таким образом, недостаточность научно-методического и критериального обоснования санитарно-гигиенической оценки риска воздействия полигона ТБО (складируемые отходы, биогаз, фильтрационные воды; функциональные1 структуры микробных популяций депонированных ТБО, фильтрационных, вод и донных отложений наземных скоплений фильтрата, деструктирующих орга-г нические фракции ТБО) на население и объекты окружающей среды; необходимость совершенствования методологии выбора инженерно-технических ре-, шений по обеспечению гигиенических нормативов, оценки их эффективности с учетом этапов жизненного цикла; а также возросшие требования к совершенствованию информационных систем сбора и обработки результатов наблюдений обусловили актуальность, определили цель и задачи исследования.
Цель исследования: научно-методическое и критериальное обоснование системы санитарно-гигиенического мониторинга и механизма реализации оптимального комплекса инженерно-технических мер на этапах жизненного цикла полигонов захоронения ТБО.
Задачи исследования:
1. Теоретический анализ процессов деструкции ТБО, формирования эмиссий загрязнений и их воздействий на объекты окружающей среды (атмосферный воздух, объекты гидросферы, почвы) в зоне влияния полигона ТБО.
2. Комплексное, углублённое исследование полигонов захоронения ТБО г.Перми и Пермского края по выявлению особенностей санитарно-гигиенического состояния на этапах жизненного1 цикла, определению^ приоритетных показателей, являющихся, критериями оценки факторов риска воздействия полигонов на объекты окружающей среды и условия проживания населения.
3. Оценка видовой структуры микробиоценозов, соответствующих этапам жизненного цикла полигона ТБО, установление индикаторных микробиологических показателей, как дополнительных критериев оценки санитарно-гигиенического состояния объектов депонирования ТБО.
4. На основе биохимической модели деструкции отходов построение математических моделей формирования эмиссий загрязняющих веществ на полигоне ТБО и разработка методологии их использования для диагностики и прогнозирования санитарно-гигиенической ситуации на полигонах ТБО при проведении диагностического мониторинга (параметрический прогнозный блок).
5. Теоретическое обоснование выбора оптимального комплекса инженер-'" но-технических решений, направленных на снижение санитарно-гигиенической опасности эмиссий полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла" (отведение и очистка фильтрационных вод, дегазация тела полигона), и разработка критериев оценки их эффективности.
6. Научно-методическое обоснование создания системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла, как составной (объектовой) части социально-гигиенического мониторинга.
7. Разработка концептуальной схемы информационно-аналитической системы, как элемента санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО.
Научная новизна работы.
Сформулированные задачи по санитарно-гигиенической оценке полигонов захоронения ТБО и зон их возможного негативного воздействия применительно
к ведению санитарно-гигиенического мониторинга решались впервые.
• Установлены количественные, качественные, а также временные закономерности формирования эмиссий загрязняющих веществ, обусловливающих санитарно-гигиеническое состояние полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла; разработана система критериев для оценки воздействия полигонов на объекты окружающей среды.
• Доказана потенциальная эпидемическая значимость эмиссий полигона: выявлены условно-патогенные и патогенные виды микроорганизмов в депонированных отходах, фильтрационных водах, формирующемся свалочном грунте. На территории полигона в снеговом покрове отмечено превышение в сравнении с фоновым ОМЧ, соИ-индекса, индекса ЛКП в 2.2, 10, 3 раз, в поверхностных водах в СЗЗ индекса ЛКП в 2 раза. Установлено, что микрофлора свалочных грунтов, сформировавшихся в течение 25 лет после закрытия полигона, близка по структуре природным дерново-подзолистым почвам.
• Выявлены особенности качественного и количественного состава микроорганизмов, деструктирующих органические вещества, содержащиеся в массиве отходов на разных этапах его жизненного цикла. На аэробной стадии и стадии гидролиза деструкцию осуществляют бактерии родов Pseudomonas, Bacterium, грибы родов Mortierella, Mycogone и актиномицеты рода Actinomyces. На стадиях ацетогенеза и активного метаногенеза в структуре микробиоценоза преобладают бактерии родов Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Methanobacte-rium. На стадии стабильного метаногенеза микробиоценоз формируют бактерии родов Bacillus, Desulfovibrio, Methanobacterium, Methanococcus. На этапе рекультивации микробиоценоз представлен актиномицетами рода Actinomyces, микроскопическими грибами и азотфиксирующими микроорганизмами рода Azotobacter.
• На основе разработанной биохимической модели деструкции отходов и имитационного анализа водного баланса построены математические модели формирования эмиссий (биогаза и фильтрационных вод), позволяющие прогнозировать уровни воздействия факторов на санитарно-гигиеническое состояние
к ведению санитарно-гигиенического мониторинга решались впервые.
• Установлены количественные, качественные, а также временные закономерности формирования эмиссий загрязняющих веществ, обусловливающих санитарно-гигиеническое состояние полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла; разработана система критериев для оценки воздействия^ полигонов на объекты окружающей среды.
• Доказана потенциальная эпидемическая значимость эмиссий полигона: выявлены условно-патогенные и патогенные виды микроорганизмов в депонированных отходах, фильтрационных водах, формирующемся свалочном грунте: На территории полигона в снеговом покрове отмечено превышение в сравнении с фоновым ОМЧ, соН-индекса, индекса ЛКП в 2.2, 10, 3 раз, в поверхностных водах в СЗЗ индекса ЛКП в 2 раза. Установлено, что микрофлора свалочных грунтов, сформировавшихся в течение 25 лет после закрытия полигона, близка по структуре природным дерново-подзолистым почвам.
• Выявлены особенности качественного и-количественного состава микроорганизмов, деструктирующих органические вещества, содержащиеся в массиве отходов на разных этапах его жизненного цикла. На аэробной стадии и стадии гидролиза деструкцию осуществляют бактерии родов Pseudomonas, Bacterium, грибы родов Мог tierella, Mycogone и актиномицеты рода Actinomyces. На стадиях ацетогенеза и активного метаногенеза в структуре микробиоценоза преобладают бактерии родов Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Methanobacte-rium. На стадии стабильного метаногенеза микробиоценоз формируют бактерии родов Bacillus, Desulfovibrio, Methanobacterium, Methanococcus. На этапе рекультивации микробиоценоз представлен актиномицетами рода Actinomyces, микроскопическими грибами и азотфиксирующими микроорганизмами рода Azotobacter.
• На осн