Геоэкологическая оценка влияния складирования отходов на водные объекты (на примере республики башкортостан)
На правах рукописи
КИЯШКО Иван Юрьевич ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СКЛАДИРОВАНИЯ ОТХОДОВ НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ (на примере Республики Башкортостан) Специальность 25.00.36 – Геоэкология (Науки о Земле)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук
Казань 2011
Работа выполнена на кафедре «Безопасность производства и промышленная экология» ФГБОУ ВПО Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ) Научный руководитель доктор химических наук, профессор Гладких Ирина Фаатовна Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор Степанова Надежда Юльевна доктор географических наук, профессор Шакиров Альберт Вазифович Ведущая организация ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет
Защита диссертации состоится «22» декабря 2011г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.081.20 при ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет по адресу: 420008, г.Казань, ул.Кремлевская, 18, II корпус, Институт экологии и географии, 15 этаж, аудитория
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им.Н.И.Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета Автореферат разослан «»_ 2011г.
Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук, доцент Ю.Г. Хабутдинов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В настоящее время объем образования твердых бытовых отходов (ТБО) в мире достигает 400 млн. т в год, восьмая часть которых образуется в Российской Федерации. Несмотря на значительное количество современных методов обезвреживания ТБО, наиболее распространенным и традиционным является складирование отходов. Рост образования, а также значительное количество уже накопленных отходов обуславливает увеличение антропогенной нагруженности территории: например, на территории РФ, по состоянию на 2010г., накоплено 35 млрд. т ТБО. Доля складированных отходов от общего количества их образования в РФ составляет 96%. Объекты складирования ТБО занимают значительную территорию, выводят земли из сельскохозяйственного использования, а также являются источниками поступления продуктов разложения ТБО в окружающую среду.
Поскольку конечным приемником большинства видов загрязнителей является гидросфера, рост объектов складирования ТБО в бассейнах рек приводит к качественному и количественному истощению водных ресурсов, обуславливает деградацию речных экосистем и негативно сказывается на жизнедеятельности человека (Christensen T. et al., 1992;
White P.R. et al., 1995;
Бартоломей А.А. и др., 2004;
Потапов П.А. и др., 2004;
Путилина В.С. и др., 2005;
Robinson H., 2007;
Stegmann R. et al., 2008). В связи с этим изучение влияния объектов складирования отходов на поверхностные и подземные воды весьма актуально.
Республика Башкортостан (РБ) является одним из аграрно индустриальных регионов России с развитой гидрографической сетью (более 13 тыс. водотоков) и характеризуется ростом численности населения, высокими темпами урбанизации, усилением хозяйственной деятельности и, как следствие, наличием более 2 тыс. санкционированных объектов складирования отходов. В этой связи разработка рекомендаций для совершенствования системы геоэкологического мониторинга объектов складирования отходов в пределах речных бассейнов территории Республики Башкортостан является практически значимой.
Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры «Безопасность производства и промышленная экология» Уфимского государственного авиационного технического университета.
Цель работы – комплексная оценка влияния свалочного фильтрата на водные объекты, а также разработка рекомендаций по совершенствованию системы геоэкологического мониторинга объектов складирования отходов в пределах речных бассейнов.
Задачи исследования:
- анализ нагруженности территорий объектами складирования отходов и выявление основных направлений совершенствования системы геоэкологического мониторинга объектов складирования отходов в пределах речных бассейнов (п. 1.17 паспорта специальности);
- количественная оценка экологической опасности фильтрата объектов складирования отходов с учетом климатических особенностей бассейна и гидрологического режима водотока (пп. 1.11, 1.13 паспорта специальности);
- выявление приоритетных показателей состава свалочного фильтрата на основе вероятностно-статистической оценки с учетом географического расположения объектов складирования отходов (пп. 1.11, 1.13 паспорта специальности);
- разработка рекомендаций по совершенствованию системы геоэкологического мониторинга объектов складирования отходов в пределах речных бассейнов с целью нормирования и снижения антропогенного воздействия на водные экосистемы (пп. 1.8, 1.12 паспорта специальности).
Научная новизна:
1. На основе динамико-стохастического анализа разработана и апробирована методика оценки объемов образования свалочного фильтрата с учетом характеристики объекта складирования и особенностей выпадения осадков на данной территории (агрегатного состояния атмосферных осадков, межгодовых и внутригодовых изменений количества осадков) (п. 1.11 паспорта специальности).
2. Выявлен набор приоритетных показателей состава свалочного фильтрата для объектов складирования ТБО различных стран мира, а также на основе корреляционного и регрессионного анализа установлены одно- и многофакторные зависимости, характеризующие взаимосвязь между показателями состава фильтрата (пп. 1.13, 1.14 паспорта специальности).
3. Разработаны научные основы совершенствования системы геоэкологического мониторинга объектов складирования отходов в пределах речных бассейнов на основе предложенных интегрированных показателей (пп.
1.10, 1.12, 1.17 паспорта специальности).
Практическая значимость. Разработанные методики и зависимости позволяют:
- оценить межгодовую и внутригодовую динамику объемов фильтрата объектов складирования отходов с учетом климатических изменений, а также агрегатного состояния атмосферных осадков (пп. 1.13, 1.17 паспорта специальности);
- на основе результатов оценки количества образования фильтрата и величины показателей его состава обоснованно выбирать методы сбора и очистки фильтрата на стадии проектирования и размещения объекта складирования ТБО на территории речного бассейна (пп. 1.13 паспорта специальности);
- оперативно оценивать содержание загрязняющих веществ в свалочном фильтрате на основе установленных одно- и многофакторных зависимостей, характеризующих взаимосвязь между показателями состава фильтрата (пп.
1.13, 1.14 паспорта специальности).
Для разработки научно-обоснованных мероприятий по планированию и снижению антропогенного воздействия на речные экосистемы разработан механизм реализации системы геоэкологического мониторинга объектов складирования отходов и построены карты нагруженности речных бассейнов территории Республики Башкортостан (пп. 1.16, 1.17 паспорта специальности).
Результаты проведенных исследований используются в Министерстве природопользования и экологии Республики Башкортостан, что подтверждается актом о внедрении результатов диссертационной работы, а также использованы при разработке комплексной программы социально экономического развития городского округа город Уфа Республики Башкортостан на 2011-2015гг. (п. 4.1.7 – Окружающая среда).
Методы исследования и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс УГАТУ и используются при подготовке бакалавров по направлению 280200 «Защита окружающей среды» и инженеров по специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», 280103 «Защита в чрезвычайных ситуациях».
На защиту выносятся:
- методика оценки объемов образования свалочного фильтрата с учетом характеристики объекта складирования отходов (объема, площади, высоты массива отходов) и особенностей выпадения осадков на данной территории (агрегатного состояния атмосферных осадков, межгодовых и внутригодовых изменений количества осадков);
- результаты определения набора приоритетных показателей состава фильтрата для объектов складирования ТБО различных стран мира, а также выявленные одно- и многофакторные зависимости между показателями состава свалочного фильтрата;
- алгоритм совершенствования системы мониторинга и управления объектами складирования отходов с учетом бассейнового подхода на основе предложенных интегрированных показателей и результаты его апробации при оценке нагруженности речных бассейнов территории Республики Башкортостан объектами складирования отходов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, симпозиумах и семинарах в городах Москве (2010, 2011), Уфе (2008, 2009, 2010), Минске (2009, 2010, 2011), Перми (2009), Ульяновске (2009), Тольятти (2009), Кемерово (2009), Челябинске (2009), Иркутске (2009, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК. Получены положительные решения о выдаче 2-х патентов на изобретение РФ, получены 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на странице машинописного текста, иллюстрирована 44 рисунками и таблицами. Список литературы включает 167 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследования, а также основные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ работ в области изучения процессов образования свалочного фильтрата и оценки его воздействия на окружающую среду. Выявлено, что при оценке экологической опасности объектов складирования отходов (Schroeder P. et al., 1994;
White P. et al, 1995;
Тагилов М.А., 2002;
Артемов Н.И. и др., 2003;
Глушанкова И.С., 2004) рассматриваются только объем и/или качественный состав свалочного фильтрата без учета особенностей водотока-реципиента.
Показано, что существующие методы оценки объемов образования фильтрата применимы ограниченно ввиду необходимости сбора значительных массивов исходных данных, не учитывают вероятностную природу выпадения осадков, их внутригодовое распределение по агрегатному состоянию. Не проводится оценка влияния поступления различных объемов фильтрата в водные объекты в различные фазы водного режима. Кроме того, существующие объекты складирования, как правило, не оборудованы системой сбора и отвода фильтрата, что затрудняет получение исходных данных для разработки и апробации методов оценки объемов фильтрата.
Выявлено, что качественный состав фильтрата специфичен для каждого конкретного объекта складирования ТБО, а исследования процессов формирования фильтрата носят прикладной характер (Farrow S., 2003;
Carville M., 2005;
Robinson H., 2007). Ряд исследователей отмечают единые закономерности формирования фильтрата, тем не менее, выявление приоритетных показателей его состава осуществляется для конкретных объектов складирования ТБО, что не применимо для других территорий.
Показано, что при оценке воздействия объектов складирования ТБО на водные объекты не учитывается наличие гидравлической связи между поверхностными и подземными водами, а также не учитываются условия перемещения фильтрата через различные породы зоны аэрации.
Выявлено, что в настоящее время в РФ мониторинг объектов складирования ТБО в пределах речных бассейнов осуществляется в рамках двух систем: мониторинга объектов складирования ТБО и мониторинга состояния водных ресурсов. В связи с этим, отсутствуют показатели степени нагруженности территории объектами складирования отходов (Дмитриев В.В. и др., 2004;
Карлин и др., 2003;
Berglund O., 2008;
Thornton S., 2011).
Во второй главе приведена характеристика объектов исследования, исходных данных, а также используемых в работе методов.
Объектами исследования являются объекты складирования отходов, расположенные на территории 19 стран мира, в том числе России (на территории Республики Башкортостан), а также водные объекты РБ.
В качестве исходных данных использована информация:
- о площадях, объемах, географических координатах 2 028 объектов складирования отходов РБ (реестр Министерства природопользования и экологии РБ);
- о концентрациях 22 показателей состава фильтрата 138 объектов складирования отходов, расположенных на территории 19 стран мира (Британское геологическое общество, Шведское агентство по международному развитию и др.);
- о наблюдениях за расходами воды и 15 показателями качества воды водотоков бассейна р.Белой, а также о количестве выпадающих осадков на территории РБ с начала инструментальных наблюдений по 2007гг. (БашУГМС). Всего обработано 75 000 значений.
Основным объектом складирования ТБО, рассматриваемым в работе, являлся полигон ТБО Рис. 1. Схема расположения полигона ТБО «Новые Черкассы», г.Уфа (рис. 1).
«Новые Черкассы» и прилегающих водных Данный объект эксплуатируется с объектов 1962г., территория складирования в 2010г. составила 102 га, объем накопленных отходов – более 7 млн. м3.
В работе использовались: вероятностно-статистический метод (Рождественский А.В., Чеботарев А.И., 1974;
Шелутко В.А., 2007;
Дружинин В.С., Сикан А.В., 2001;
и др.), метод одно- и многофакторного корреляционного и регрессионного анализа (Weisberg S., 2005;
Куприенко Н.В.
и др., 2008), методы геообработки и геостатистического анализа, реализованные в программном пакете ArcGIS 9.3, методы системного анализа (Положение об оценке воздействия …, 2000).
Третья глава посвящена количественной оценке влияния объектов складирования отходов на водные объекты.
Проведен расчет и сравнение объемов образования фильтрата по существующим методикам для полигона ТБО «Новые Черкассы», г.Уфа, в различные сезоны года.
Результаты расчета интерпретированы на рис. 2.
Внутригодовая динамика образования фильтрата, Рис. 2. Внутригодовая динамика выпадения осадков и объемов фильтрата на полигоне ТБО «Новые Черкассы» рассчитанная по различным методикам, в целом, отражает внутригодовое распределение осадков, но значения рассчитанных объемов фильтрата различаются в 2…11 раз (рис. 2). Значения объемов фильтрата, рассчитанные по методике I, превышают количество выпавших осадков, хотя известно (Belevi H., 1989), что вклад осадков в образование фильтрата составляет до 97%.
Проведенный анализ параметров, учитываемых в методиках, показал, что методика IV применима для территорий с различными природно климатическими условиями, в отличие от II и III, разработанных для конкретных территорий.
Существующие методики (I-IV) не позволяют определить объем интенсивного образования фильтрата в теплый период года при таянии накопленных за холодный период осадков. В связи с этим, разработана методика оценки внутригодовой и межгодовой динамики образования свалочного фильтрата, учитывающая внутригодовое распределение осадков по агрегатному состоянию, а также их вероятностную природу. Сущность разработанной методики заключается в выборе временного ряда, расчете обеспеченных среднегодовых (hгод) или среднемесячных (hмес) значений осадков за рассматриваемый период и расчете среднегодовых или среднемесячных значений объема фильтрата. В случае расчета среднемесячных значений, месяцы года, отличающиеся агрегатным состоянием выпадающих осадков, разделяются на группы (рис. 3).
Рис. 3. Алгоритм разделения месяцев на группы с учетом агрегатного состояния атмосферных осадков Как видно из рис. 3, в группу А выделены месяцы, характеризующиеся отсутствием фильтрата за счет накопления осадков в твердом виде на поверхности объекта складировании ТБО. К группе В отнесены месяцы, характеризующиеся преобладанием осадков, выпадающих в твердом виде над осадками, выпадающими в жидком виде и образованием фильтрата лишь за счет доли жидких осадков. В группу С выделен один месяц, в течение которого весь объем осадков, накопленных ранее в твердом виде, переходит в жидкое состояние и образует фильтрат (период весеннего снеготаяния). К группе D относятся месяцы, в течение которых либо выпадают только жидкие осадки, либо доля жидких осадков преобладает над долей твердых. В течение месяцев данной группы в фильтрат переходит весь объем выпавших осадков.
Разработанная методика адаптируется для различных территорий.
Например, для РБ характерно следующее распределение месяцев по группам: А (декабрь, январь, февраль), В (март, ноябрь), С (апрель), D (май, июнь, июль, август, сентябрь, октябрь). Для других регионов распределение месяцев по группам может отличаться. Для повышения оперативности расчетов разработанная методика реализована в программе для ЭВМ «Оценка воздействия фильтрата складированных твердых бытовых отходов на водные ресурсы» (свидетельство Роспатента о регистрации программы для ЭВМ №2009614841 от 07.09.2009г.).
Разработанная методика позволяет оценить внутригодовую и/или межгодовую динамику образования фильтрата с учетом накопления осадков в твердом виде на объекте складирования ТБО и их последующего таяния.
Оценка среднегодовых объемов образования фильтрата по разработанной программе для ЭВМ проведена для 2 028 объектов складирования ТБО территории РБ. Пространственное распределение рассчитанных объемов фильтрата по территории РБ картировано с помощью программного продукта ArcGIS 9.3 на рис. 4.
Рис. 4. Пространственное распределение рассчитанных объемов фильтрата по территории РБ Из рис. 4 видно, что западная и центральная часть республики характеризуются высокой плотностью размещения объектов складирования ТБО, но значительной дифференциацией объемов образования фильтрата (от до 10 тыс.м3/год). Восточная часть республики отличается более низкой плотностью размещения объектов складирования ТБО, но преобладанием объектов складирования с большими объемами образования фильтрата (от тыс. до 10 тыс.м3/год). Расчеты показали, что максимальный объем фильтрата образуется на полигоне ТБО «Новые Черкассы», г.Уфа (72 358 м3/год).
Оценка среднемесячных объемов образования фильтрата с учетом распределения осадков по агрегатному состоянию, характерного для территории г.Уфы, проведена для полигона ТБО «Новые Черкассы» (рис. 5).
а) б) а) схема формирования фильтрата в весенние месяцы за счет накопления осадков в твердом виде в зимний период (на примере территории г.Уфы);
б) внутригодовая динамика объемов образования фильтрата, рассчитанных по разработанной методике и по методике IV для осадков 50% обеспеченности (1937-2007гг.) Рис. 5. Результаты оценки среднемесячных объемов фильтрата полигона ТБО «Новые Черкассы» с учетом агрегатного состояния осадков Разработанная методика оценки объема фильтрата, в отличие от методики IV, позволяет количественно определить объем образования фильтрата в весенние месяцы за счет накопления осадков в твердом виде в зимний период (рис. 5), который в последующем может поступить в водный объект. Из рис. видно, что объем образования фильтрата в апреле, определенный по разработанной методике (23,3 тыс.м3 при осадках 50% обеспеченности), более чем в 7 раз превышает значение объема, определенное по методике IV.
Поскольку на межгодовую и внутригодовую динамику выпадения осадков влияют изменения климата (Thomson Е., 1995;
Кокорин Ю.М. и др., 2007;
Пачаури Р., 2008;
Stain N. et al, 2009), объем образования фильтрата в периоды с различными климатическими условиями также может изменяться.
Для оценки влияния климатических изменений на образование фильтрата проведена оценка среднемесячных значений его образования для полигона ТБО «Новые Черкассы» в различные периоды. Расчет объема фильтрата проведен за периоды, выявленные исследователями (Фащевская Т.Б. и др., 2009) для территории г.Уфы: 1956-1984гг. – среднегодовая величина осадков 544 ± 16 мм (период I);
1985-2007гг. – среднегодовая величина осадков 608 ± 24 мм (период II). Для примера результаты расчета объема фильтрата за данные периоды при осадках 50% обеспеченности приведены на рис. 6.
Начиная с 1985г. объем образования фильтрата в период с апреля по июнь, а также в августе увеличился в среднем на 2 м3/мес (27%). В июле и октябре наблюдается незначительное снижение объемов в среднем на 878 м3/мес (11%) (рис. 6).
Максимальное Рис. 6. Внутригодовая динамика значений объема фильтрата увеличение объема полигона ТБО «Новые Черкассы» с учетом климатических изменений образования фильтрата наблюдается в апреле (на 5 807 м3). Таким образом, разработана методика количественной оценки влияния объектов складирования ТБО на водные объекты, учитывающая физико-географические условия формирования фильтрата.
Четвертая глава посвящена качественной оценке влияния объектов складирования ТБО на водные объекты.
Поскольку свалочный фильтрат характеризуется поликомпонентным химическим составом, специфичным для каждого конкретного объекта складирования, для определения типичного состава фильтрата в работе предложено использовать понятие «приоритетных показателей» состава фильтрата. Принято, что показатель является приоритетным в случае его обнаружения при химическом анализе состава фильтрата и превышения его величины ПДКрх.
Для определения приоритетных показателей использована информация о химическом составе фильтрата 138 крупных объектов складирования ТБО стран мира. Для учета природно-климатических и социально-экономических условий территории рассматриваемые объекты складирования ТБО условно разделены на 3 группы: объекты стран Европы, Азии и СНГ. Для каждой группы стран выявление приоритетных показателей состава фильтрата осуществлялось вероятностно-статистическим методом: построены эмпирические кривые обеспеченности величины кратности превышения ПДК рх для каждого показателя состава фильтрата 138 объектов складирования ТБО и определены значения 50% обеспеченности (характерные для каждого 2го объекта складирования). Ранжирование показателей состава фильтрата по убыванию кратности превышения ПДКрх интерпретировано на рис. 7.
а) в) б) г) Рис. 7. Кратность превышения ПДКрх показателями состава фильтрата для:
а) стран Европы;
б) стран Азии;
в) стран СНГ;
г) всех стран Кратность превышения ПДКрх показателями состава фильтрата объектов складирования стран СНГ ниже (12…407 раз), чем объектов складирования стран Европы (1…3 162 раза), что говорит о более высокой степени загрязненности фильтрата европейских объектов складирования ТБО (рис. 7).
Набор выявленных приоритетных показателей для объектов стран Европы, Азии, СНГ, а также по миру в целом является сходным, что свидетельствует о наличии единых закономерностей формирования состава фильтрата.
Для определения закономерностей формирования фильтрата (определяемых составом ТБО, природно-климатическими условиями и т.д.) проведены одно- и многофакторный корреляционно-регрессионный анализ рядов значений 22 показателей состава фильтрата 138 объектов складирования ТБО. Рассматриваемые объекты складирования разделены на 2 группы: в качестве анализируемых выбраны 96 объектов, в качестве контрольных – ХПК Характер связи (Weisberg S., 2005):
0,0…0,1 Отсутствует 0,82 БПК 0,01 0,01 0,1…0,3 Слабая NH4+ 0,28 0,21 0,02 Cl- 0,3…0,5 Умеренная 0,01 0,01 0,02 0,01 0,5…0,7 Заметная NO2 0,01 0,01 0,08 0,02 0,01 0,7…0,9 Высокая Pобщ объекта. Результаты 0,03 0,01 0,27 0,62 0,05 0,03 Na+ 0,43 0,18 0,02 0,12 0,01 0,01 0,04 Mg2+ 0,02 0,01 0,33 0,59 0,07 0,05 0,63 0,02 K+ 0,02 0,01 0,24 0,17 0,04 0,49 0,03 0,39 0,03 Crобщ 0,53 0,38 0,06 0,02 0,01 0,14 0,02 0,57 0,02 0,01 Mn2+ 0,52 0,64 0,01 0,05 0,01 0,01 0,16 0,05 0,04 0,01 0,44 Feобщ 0,12 0,12 0,01 0,07 0,01 0,22 0,64 0,01 0,40 0,06 0,04 0,03 Ni2+ 0,01 0,01 0,02 0,04 0,06 0,37 0,08 0,47 0,04 0,03 0,09 0,01 0,42 Cu2+ 0,64 0,71 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,14 0,02 0,01 0,51 0,85 0,04 0,01 Zn2+ 0,28 0,45 0,07 0,01 0,08 0,06 0,01 0,19 0,01 0,08 0,57 0,59 0,01 0,01 0,01 Cd2+ 0,04 0,26 0,11 0,03 0,01 0,23 0,13 0,01 0,34 0,06 0,05 0,03 0,25 0,05 0,03 0,15 Pb2+ 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,06 0,03 0,03 0,08 0,01 0,01 0,01 0,04 0,06 0,01 0,03 0,01 Hg2+ 0,01 0,06 0,03 0,04 0,03 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,01 0,05 0,03 0,01 0,01 0,01 0,01 NO3 состава фильтрата 96 объектов складирования приведены на рис. 8.
0,03 0,08 0,01 0,07 0,01 0,01 0,39 0,19 0,41 0,04 0,06 0,02 0,29 0,01 0,13 0,01 0,01 0,01 0,03 SO42 0,26 0,49 0,24 0,40 0,01 0,01 0,21 0,01 0,17 0,03 0,28 0,07 0,26 0,01 0,29 0,01 0,05 0,02 0,01 0,01 Ca2+ 0,29 0,01 0,08 0,12 0,02 0,03 0,01 0,03 0,01 0,01 0,01 0,24 0,01 0,01 0,01 0,19 0,08 0,01 0,01 0,06 0,04 As3+ корреляционного анализа взаимосвязи показателей Рис. 8. Матрица коэффициентов детерминации, описывающих взаимосвязь различных показателей состава Ca2+ As3+ NO3 SO42 (96 объектов складирования ТБО) БПК NH4+ Crобщ Feобщ Mg2+ Mn2+ NO2 Hg2+ Cu2+ Cd2+ Zn2+ Pb2+ Ni2+ Pобщ Na+ Cl K+ Из 231 пары связанных показателей значение R20,5 (заметная взаимосвязь) наблюдается лишь у 15: ХПК и БПК 5;
Cl- и Na+;
K+ и Cl-;
Mn2+ и ХПК;
Feобщ и ХПК;
Feобщ и БПК5;
Zn2+ и ХПК;
Zn2+ и БПК5;
K+ и Na+;
Mn2+ и Mg2+;
Ni2+ и Na+;
Zn2+ и Mn2+;
Zn2+ и Feобщ;
Cd2+ и Mn2+;
Cd2+ и Feобщ (рис. 8).
Отсутствие взаимосвязи между остальными показателями связано со специфичностью комплекса факторов, влияющих на образование фильтрата для каждого объекта складирования ТБО. При многофакторном анализе выбраны 28 зависимостей вида y= f(xi), между переменными которых (xi) отсутствовала корреляционная взаимосвязь (R20,1).
Для оценки достоверности полученных результатов и возможности использования выявленных зависимостей проведен расчет значений показателей состава фильтрата для 42 контрольных объектов складирования, которые не были использованы в ходе расчетов (табл. 1).
Табл. 1. Результаты расчета значений показателей состава фильтрата (y) с помощью полученных зависимостей вида y= f(xi) для 42 контрольных объектов и нормы погрешностей их измерения (ГОСТ 27384-2002) Показатели состава Погрешность Нормы Уравнение аппроксимации фильтрата № R расчета, + % погрешности (96 объектов) (42 объекта) для у, + % y х1 х2 х + 1 Na Cl - - y=0,5564 x + 190,71 0,62 13 2 K+ Cl- - - y=0,328 x + 121,76 0,59 24 + + 3K Na - - y=0,4771 x + 182,03 0,63 24 4 Cd2+ Feобщ - - y=0,0002 x + 0,0177 0,59 43 2+ y=152,3x10,48x20, 5 ХПК Mg Feобщ - 0,85 35 + + 6K NH4 Cl - y=47,8+0,1x1+0,3x2 0,61 29 7 K+ Cl- Ni2+ - y=116,3+0,3x1+192,7x2 0,77 24 + 2+ 8 Na Ni Cl - y=282,4+668,9x1+0,4x2 0,77 25 9 Cl- ХПК Na+ - y=1 290,1+0,01x1+0,7x2 0,71 25 + + - 2+ 10 K NH4 Cl Ni y=49,7+0,05x1+0,3x2+188,8x3 0,77 28 11 Mg2+ ХПК Crобщ Cu2+ y=12,20x10,45x20,04 0,42 37 Нестабильность состава фильтрата вносит погрешности в результаты расчета показателей его состава с помощью полученных зависимостей. Из полученных 15 одно- и 28 многофакторных зависимостей требованиям, предъявляемым к нормам погрешности измерения показателей состава сточных вод (в соответствии с ГОСТ 27384-2002), удовлетворяют лишь 11 (табл. 1).
Полученные зависимости позволяют оперативно оценить величину показателя состава фильтрата на основе величины других показателей.
Пятая глава посвящена разработке рекомендаций по совершенствованию системы мониторинга объектов складирования ТБО в пределах речных бассейнов и снижению экологической опасности поступления фильтрата в водные объекты.
Перспективным направлением совершенствования системы геоэкологического мониторинга объектов складирования ТБО в пределах речных бассейнов является интеграция существующих систем: мониторинга объектов складирования ТБО и мониторинга состояния водных ресурсов и разработка показателей степени нагруженности территории (индексов и индикаторов). Поскольку существующие системы мониторинга организованы на различных уровнях (локальный, региональный), показатели степени нагруженности территорий объектами складирования ТБО целесообразно разрабатывать на локальном (территория объекта складирования ТБО) и региональном уровнях (субъект РФ, речной бассейн).
На локальном уровне в качестве показателя степени загрязненности фильтрата (отдельно взятого объекта складирования ТБО), использован индекс загрязненности фильтрата (ИЗФ), определяемый по формуле:
Ci 1n ИЗФ =, (1) n i = 1 ПДК рх i где Сi – концентрация i-го показателя состава фильтрата, мг/дм3;
n – число показателей, используемых для расчета ИЗФ;
ПДКрхi – значение ПДК для воды водных объектов рыбохозяйственного значения каждого i-го показателя, мг/дм3.
При расчете ИЗФ учитывались выявленные приоритетные показатели состава фильтрата (NH4+, БПК5, ХПК, Pобщ, Mn2+, Cu2+, Feобщ, NO2-, Pb2+, Ni2+, Zn2+, Hg2+, K+, Na+, Crобщ). Если ИЗФ 1, то в среднем концентрация загрязняющих веществ в фильтрате не превышает ПДК рх, т.е. химический состав свалочного фильтрата можно принять как условно чистый, а объект складирования – неопасный. При ИЗФ 1 в среднем концентрация загрязнителей в фильтрате превышает ПДКрх, т.е. свалочный фильтрат загрязнен и представляет экологическую опасность для подземных и поверхностных вод, а также требуется проведение природоохранных мероприятий (дренаж, отвод, очистка).
Рассчитан ИЗФ для 138 объектов складирования ТБО, расположенных на территории 19 стран мира, результаты которого показали, что максимум (ИЗФ=14 384,8) и минимум (ИЗФ=5,2) различаются на 5 порядков. Проведено ранжирование полученных значений на 5 классов (по количеству порядков).
Также введен дополнительный класс – условно чистый фильтрат, значение ИЗФ которого не превышает 1. Наименование классов загрязненности фильтрата предложено проводить по величине ИЗФ, а объектов складирования ТБО – по степени опасности фильтрата. Результаты ранжирования приведены в табл. 2.
Табл. 2. Система классификации объектов складирования ТБО и образующегося фильтрата по значению ИЗФ Объект Класс Фильтрат Значения ИЗФ складирования загрязненности отходов Условно чистый менее 1 I Неопасный Умеренно загрязненный 1…10 II Малоопасный Загрязненный 10…100 III Тревожный Грязный 100…1 000 IV Опасный Очень грязный 1 000…10 000 V Весьма опасный Чрезвычайно грязный более 10 000 VI Чрезвычайно опасный Сопоставление результатов расчета ИЗФ с расположением объектов складирования ТБО показало, что чрезвычайно опасные объекты захоронения отходов (VI класс опасности) расположены в Малайзии, Великобритании, ЮАР. Наиболее многочисленным является IV класс опасности (72% от всех объектов складирования ТБО). Предложенная классификация, в отличие от существующих (Albers H. et al., 1991;
Потапов П.А. и др., 2004;
Гуман О.М., 2008), позволяет количественно оценить степень геоэкологической опасности объектов складирования ТБО для водных объектов.
На региональном уровне предложены показатели, учитывающие различные параметры нагруженности и устойчивости территории речного бассейна: суммарная площадь объектов складирования ТБО, объем образующегося фильтрата, площадь водосбора и водоохранной зоны реки, объем стока реки (табл. 3).
Табл. 3. Показатели, учитывающие различные параметры нагруженности и устойчивости территории речного бассейна Формула № Показатели расчета S Отношение суммарной площади объектов складирования, расположенных x1 = об.в. з в водоохранной зоне, к ее площади S в. з.
Отношение объема фильтрата, образующегося на объектах Vф.в. з x2 = 2 складирования, расположенных в водоохранной зоне, к объему фильтрата, Vф образующегося на водосборе реки Vф ИЗФ Степень разбавления фильтрата, поступающего с территории водосбора в x3 = водный объект Vст где Sоб.в.з. – суммарная площадь объектов складирования, расположенных в водоохранной зоне, км2;
Sв.з. – площадь водоохранной зоны, км2;
Vф.в.з. – объем фильтрата, образующегося на объектах складирования, расположенных в водоохранной зоне, м3;
Vф – объем фильтрата, образующегося на водосборе реки, м3;
Vст – объем речного стока, м3.
Для интегрирования трех показателей, учитывающих различные параметры нагруженности территории речного бассейна объектами складирования ТБО, предложено использовать индекс D, определяемый по формуле обобщенной функции желательности:
2( x1 x1max ) 2( x2 x2 max ) 2( x3 x3 max ) D= 2 2, (2) x12 + x12max x2 + x2 max x3 + x3 max 2 где x1,2,3 – значение показателя воздействия объектов складирования отходов на речной бассейн;
x1,2,3 max – максимально возможное («нежелательное») значение рассматриваемого показателя (xmax = 1).
Для оценки риска залпового поступления фильтрата в водный объект предложено использовать показатель R, определяемый на основе понятия экологического риска загрязнения водных объектов при размещении объектов складирования ТБО на территории водоохранных зон и на территории незащищенных пород зоны аэрации. При расчете показателя R величина экологического ущерба водному объекту оценивалась на основе «Методики исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства» (утв. Приказом МПР РФ от 13.04.2009г.). Вероятность загрязнения водного объекта оценивалась с использованием метода «дерева отказов» и на основе понятия геометрической вероятности размещения объекта складирования ТБО в водоохраной зоне или на территории с незащищенными породами зоны аэрации:
1 S в. з. S о.с. S S R = У P = У 1 1 з.а. о.с.
, (3) S реч.б. S реч.б S реч.б S реч.б где R – величина риска загрязнения водного объекта при размещении объектов складирования отходов на территории водоохранной зоны и в зоне незащищенных пород зоны аэрации;
У – величина экологического ущерба водному объекту (определялась на основе Методики исчисления размера вреда, причиненного водным объектам вследствие нарушения водного законодательства, 2009г.), руб.;
Р – геометрическая вероятность размещения объекта складирования отходов в водоохраной зоне или на территории с незащищенными породами зоны аэрации, %;
Sв.з. – площадь водоохранной зоны, м2;
Sо.с. – площадь, занимаемая объектами складирования отходов на территории речного бассейна, м2;
Sз.а. – площадь территории с незащищенными породами зоны аэрации, м2;
Sреч.б. – площадь речного бассейна, м2.
На основе предложенных показателей для различного масштаба оценки нагруженности речных бассейнов объектами складирования ТБО предложен алгоритм реализации системы многоуровневого мониторинга с возможностью управления размещением объектов складирования отходов и поддержки принятия решений (рис. 9).
Рис. 9. Алгоритм совершенствования системы мониторинга объектов складирования отходов в пределах речных бассейнов Настоящий алгоритм дает возможность в масштабах речного бассейна при оценке загрязненности фильтрата и пространственного распределения объектов складирования ТБО определить степень нагруженности территории и принять решение по управлению эксплуатацией и размещением объектов складирования.
В качестве примера на основе предложенного алгоритма проведены расчеты индекса D, а также величины экологического риска R для речных бассейнов территории РБ. На основе результатов расчетов осуществлено ранжирование речных бассейнов территории РБ по степени нагруженности объектами складирования ТБО и величине экологического риска с использованием программного пакета ArcGIS 9.3 (рис. 10).
Рис. 10. Ранжирование речных бассейнов территории РБ по степени нагруженности объектами складирования отходов с помощью индекса D и экологического риска R (диапазон и количество классов ранжирования определено с применением методики (Гвоздев В.Е., 2005)) Минимальное значение индекса D наблюдается на территории бассейна р.Б.Танып (0,0055). Максимальное значение индекса наблюдается на территории бассейна р.Базы (0,0682), что, по-видимому, связано с высокой плотностью расположения объектов складирования ТБО и минимальной из рассматриваемых водотоков величиной среднегодового стока (0,08 км3).
Минимальная величина экологического риска R наблюдается на территории бассейна р.М.Ик (0,4), максимальное – на территории бассейна р.Белой (1 489,3). По-видимому, максимальная величина экологического риска на территории водосбора р.Белой связана с высокой плотностью размещения объектов складирования ТБО на территории водоохранной зоны реки или на участках незащищенных пород зоны аэрации.
Выводы 1. Проведен анализ нагруженности территорий объектами складирования отходов на примере Республики Башкортостан. Показано, что на территории республики расположено 2 028 объектов складирования с суммарной площадью 18,3 км2, что превышает аналогичные значения для других промышленно развитых регионов Российской Федерации.
2. Предложена методика количественной оценки экологической опасности фильтрата объектов складирования отходов с учетом климатических особенностей бассейна и гидрологического режима водотока. Показано, что при оценке объема образования фильтрата необходимо учитывать агрегатное состояние выпадающих осадков, а также климатические изменения, характерные для территории. На примере полигона ТБО «Новые Черкассы» (г.Уфа) проведена оценка объема образования фильтрата. Учет агрегатного состояния осадков позволил выявить перераспределение объемов образования фильтрата внутри года до 49 800 м3/мес фильтрата. Учет климатических изменений позволил выявить увеличение образования фильтрата до 5 м3/мес.
3. На основе вероятностно-статистической оценки с учетом географического расположения объектов складирования отходов выявлены приоритетные показатели состава свалочного фильтрата. Показано, что набор приоритетных показателей практически не изменяется в зависимости от природно-климатических и социально-экономических условий территории расположения объектов складирования. Приоритетными показателями состава фильтрата вне зависимости от условий размещения объекта являются NH 4+, БПК5, ХПК, Pобщ, Mn2+, Cu2+, Feобщ, NO2-, Pb2+, Ni2+, Zn2+, Hg2+, K+, Na+, Crобщ.
4. Для совершенствования системы геоэкологического мониторинга разработаны показатели нагруженности территории объектами складирования ТБО в пределах речных бассейнов: на локальном уровне – индикатор загрязненности фильтрата, на региональном уровне – индекс нагруженности речного бассейна D и экологический риск загрязнения водного объекта при залповом поступлении фильтрата в водный объект R. Проведен расчет предложенных показателей для речных бассейнов РБ, который показал, что максимальная величина индекса D характерна для бассейна р.Базы (0,0682), максимальная величина экологического риска R – для бассейна р.Белой (1 489,3).
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией 1. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Фащевская Т.Б.
Разработка методики комплексной оценки загрязненности фильтрационных стоков захоронений отходов // Вестник ИрГТУ, №2, 2010г. С.6-11.
2. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Фащевская Т.Б.
Оценка влияния свалочного фильтрата на водные объекты. Количественный аспект // Безопасность жизнедеятельности, №10, 2010г. С.20- 3. Красногорская Н.Н., Кутлиахметов А.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Трусова И.В. Мониторинг объектов складирования отходов в пределах речных бассейнов // Проблемы региональной экологии, №4, 2011г. С.90-100.
Патенты на изобретение 4. Патент на изобретение РФ №2420735 от 10.06.2011г. Способ оперативного определения тяжелых металлов в воде / Красногорская Н.Н., Трухан Э.М., Журавлева С.Е., Ахтямов Р.Г., Колесникова О.Ю., Кияшко И.Ю., Набиев А.Т.
5. Патент на изобретение РФ №2425192 от 27.07.2011г. Система отвода фильтрата с полигона твердых бытовых отходов / Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Ахтямов Р.Г.
Программы для ЭВМ 6. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Ганцева Е.М.
Оценка воздействия фильтрата складированных твердых бытовых отходов на водные ресурсы // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614841 от 07.09.09 г.
7. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Ганцева Е.М., Карпухин В.А., Нефедов Р.А. Оценка загрязнения водотоков и водоемов химически опасными веществами // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612005 от 17.03.10г.
8. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Ганцева Е.М., Власов Р.Д., Галлямов Д.Д. Построение кривых обеспеченности // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011614208 от 30.05.11г.
Статьи, опубликованные в материалах конференций 9. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Кутлыев Р.Р.
Воздействие свалок твердых бытовых отходов на водные объекты (на примере Уфимской свалки) // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2008): Сборник научных статей V-й Международной научно-технической конференции. Том II. – Уфа: УГАТУ, 2008. - С.146- 10. Krasnogorskaya N.N., Elizariev A.N., Kiyashko I.Yu. Monitoring processes, passed in the landfilled waste // Сахаровские чтения 2009 года:
экологические проблемы XXI века: материалы 9-й международной научной конференции. – Минск: МГЭУ им. Сахарова, 2009. – С.276- 11. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю. Современные методы мониторинга экологической опасности объектов накопления твердых бытовых отходов // Материалы VI Международного форума по управлению отходами и природоохранным технологиям «ВэйстТэк – 2009». – Пермь: ГОУ ВПО ПГТУ, 2009. – С.126- 12. Elizariev A.N., Kiyashko I.Yu. Landfill wastewater treatment // «ЧИСТАЯ ВОДА - 2009» Труды Международной научно-практической конференции – Кемерово: КемТИПП, 2009. - С.166- 13. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю. Моделирование водного баланса объектов захоронения отходов // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: сборник материалов IV Международной научно-практической конференции: в 2 т. – Челябинск:
Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – Т.2. – С.73- 14. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю. Использование программного обеспечения для расчета количества фильтрата объектов складирования твердых бытовых отходов // Материалы научно-практической конференции «Инновации в теории и практике обращения с отходами». – Пермь: Издательство ПГТУ, 2009. – С.137- 15. Krasnogorskaya N.N., Elizariev A.N., Kiyashko I.Yu. Estimation of landfill leachate influence on water objects // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2009): Сборник научных статей VI й Международной научно-технической конференции. Том II. – Уфа: УГАТУ, 2009. – С.437- 16. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю. Разработка методики комплексной оценки загрязненности фильтрационных стоков захоронений отходов // Инновационное развитие горно-металлургической отрасли: материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. – С.730- 17. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю. Компьютерные технологии моделирования водного баланса объектов захоронения отходов // Материалы Международной научно-практической конференции «Инновации и наукоемкие технологии в обеспечении промышленной, пожарной и экологической безопасности», редкол.: Ю.Р. Абдрахимов и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. – С.162- 18. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Фащевская Т.Б.
Количественная оценка влияния свалочного фильтрата на водные ресурсы // Материалы IV Международного Водного Форума (12-13 октября 2010г., Минск), 2011. – С.84-86.
19. Красногорская Н.Н., Елизарьев А.Н., Кияшко И.Ю., Федосова Л.В.
Комплексный подход при оценке влияния захоронений твердых бытовых отходов на водные объекты // Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2010): Сборник научных статей VII-й Международной научно-технической конференции. Том II. – Уфа: УГАТУ, 2010. – С.88-