Экология городской среды. Глава 2. Геологическая среда города (А. А. Челноков, 2015)

Антропогенное воздействие на геологическую среду приводит к интенсификации большинства геологических процессов, постоянно протекающих в биосфере.

Геологические и инженерно-геологические процессы, которые оказывают отрицательное воздействие на территории, хозяйственные и промышленные объекты, жизнедеятельность людей, называют опасными геологическими процессами (ОГП).

Физическое воздействие проявляется в форме загрязнения геологической среды города (изменение температурного, электрического и магнитных полей, возникновение вибрационного поля), за счет которого ей сообщается дополнительное количество энергии через статические (масса сооружений), динамические (вибрация), температурные и электрические поля. Накопление избыточной энергии в среде, которая служит основанием для техногенных объектов, рано или поздно должно привести к ее высвобождению, что может быть связано с возникновением техногенных нарушений катастрофического характера (оползание и разрушение зданий, микроземлетрясения и пр.).

Особенностью физического загрязнения геологической среды города является то, что техногенные физические ПОЛЯ проявляются на небольшой по площади, ограниченной элементами городского рельефа территории, поэтому они по интенсивности значительно превосходят естественные аналоги, создавая на территории города высокие градиенты характеристик (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Сравнительная характеристика физических полей городской территории (по Стольберг, 2000)

Тепловое загрязнение геологической среды города проявляется в повышении ее температуры относительно естественных значений. При этом могут образовываться геотермические аномалии. Показано, что на территории крупного города нарушения температурного режима происходят до глубины 100–150 м и более. При этом на горизонтах 10–30 м наблюдаются тенденции к расширению по площади геотермических аномалий с повышением на 2–6 °C фоновых значений температуры пород и подземных вод. Наиболее активными источниками возникновения геотермических образований являются магистральные теплопроводы и сети горячего водоснабжения.

Геотермические аномалии вызывают следующие нарушения:

• образование локальных микроклиматических аномалий на территории города;

• локальное просушивание грунтов с изменением их прочности, что особенно опасно в зонах исторической плотной жилой застройки;

• изменение режимов водо-, массо- и теплообмена грунтов и подстилающих пород;

• усиление процессов химической и биокоррозии металлов;

• изменение микробиоценозов.

Электромагнитное загрязнение геологической среды города связано с возникновением электрических полей блуждающих токов в земле при работе рельсового электротранспорта, подземных сетей кабелей, снабжающих электроэнергией здания и сооружения и т. д. Воздействие электрического ПОЛЯ блуждающих токов выражается в повышении коррозионной активности геологической среды города, что существенно сокращает сроки безаварийной службы кабелей и трубопроводов, утечки из которых, в свою очередь, служат источниками загрязнения почв, грунтов и подстилающих пород территории города. Опасность коррозии возникает при плотности блуждающих токов 5 – 10^-2 А/м², в то время как реальная их плотность в крупных городах примерно в 200 раз выше. При высоком уровне плотности блуждающих токов скорость электрохимической коррозии стали составляет до 2 мм/год, что приводит к снижению срока эксплуатации трубопроводов в 2 раза.

Вибрационное загрязнение геологической среды города обусловлено движением транспортных средств по городским магистралям. Уровень и степень его воздействия на литогенную основу городской территории зависит от типа пород, ее слагающих. Скальные и полускальные грунты обладают меньшей способностью к поглощению энергии вибрационных колебаний, тогда как более рыхлые породы и грунты активно ее поглощают, что приводит к изменению структуры и уменьшению их прочности. Это может способствовать развитию обвальнооползневых процессов на территории города. В качестве верхнего предела допустимого вибрационного воздействия на геологическую среду принимается 73 дБ, что соответствует скорости перемещения частиц породы около 225-10^-6 м/с. Эти условия могут создаться при регулярном движении рельсового транспорта.

Наиболее опасными геологическими процессами на территории городов являются техногенно обусловленные землетрясения (микроземлетрясения), эрозия почв, обвалы, оползни, нарушение прибрежной территории, подтопление и затопление, карстообразование, просадка поверхности, высвобождение и аккумулирование окружающей городской средой радона и радиоактивных веществ, а также формирование геопатогенных зон.

Для крупных городов Беларуси характерно развитие процесса карстрообразования в связи с геологическими особенностями региона.

Карстообразование – это процесс выщелачивания растворимых горных пород подземными и поверхностными водами с образованием крупных пустот в породах, с последующим оседанием и обрушением кровли зданий и сооружений. Естественными факторами карстообразования являются пересеченный рельеф, наличие мощного подземного стока, высокие скорости фильтрации грунтов, присутствие в стоках свободной углекислоты, трещиноватость пород.

На территориях городов развитию карста способствует формирование значительных по размерам депрессионных воронок в районах водозабора, высокая кислотность поверхностного стока за счет химического загрязнения, повышенная фильтрационная способность насыпных грунтов, механическое разрушение материнских подстилающих пород при строительстве объектов.

Однако наиболее опасными и трудноустранимыми последствиями развития ОГП на городских территориях является поступление радона и радиоактивных веществ во внутреннюю среду зданий и сооружений.

В последнее время в мировой практике особое внимание уделяется проблемам защиты внутренней среды от облучения радона и его дочерних продуктов (ДПР), находящихся в воздухе жилых, общественных и других помещений. Известно, что до 50 % радиационного фона помещений обусловлено радоном и ДПР. Радон – естественный радиоактивный инертный газ без вкуса и запаха. Он непрерывно образуется в почве, строительных материалах и сырье, выделяясь в воздух жилых, общественных, производственных и других помещений. Сам радон химически инертен, но ионизированные продукты его распада (радионуклиды полония, висмута, свинца) сорбируются пылью и влагой, образуя альфа-радиоактивные аэрозольные частицы. Наиболее опасны аэрозоли субмикронных размеров, которые могут проникать в верхние дыхательные пути и оседать в них, создавая локальные источники альфа-облучения клеток. В определенной степени такие аэрозоли эквивалентны «горячим частицам» радиоактивной топливной пыли чернобыльских осадков.

Началом изучения радиационного воздействия на здоровье человека, вызванного радоном и продуктами его распада, следует считать 1970-е гг., когда на территории Хельсинки были обнаружены скважины с очень высокой концентрацией радона в воде. Там же при обследовании жилых домов в 1981 г. были обнаружены помещения с концентрациями радона, превышающими 10 000 Бк/м³. Тогда же было достоверно установлено, что при герметизации помещений с целью экономии энергии облучение населения от высокого содержания радона в воздухе увеличивается.

Аналогичные исследования проводятся и в странах СНГ. С 1989 г. ведется мониторинг радона в Украине. Очень высокий уровень активности этого газа (1000 Бк/м³ и выше) зарегистрирован в зданиях, расположенных в районах Украинского кристаллического массива. Эффективная доза облучения населения Украины естественными радионуклидами составляет в среднем 5,2 мЗв/год, из которых 4,2 мЗв/год приходится на радон и продукты его распада.

В настоящее время принято считать, что радон является причиной значительной доли регистрируемых в мире заболеваний раком легких. По данным Могилевского центра гигиены и эпидемиологии, заболеваемость раком легких в Могилевской области продолжает устойчиво занимать первое место в структуре онкологических заболеваний населения. По предварительной оценке годовые дозы облучения населения от радона и его продуктов распада составили для Могилевской области 1,4–2,6 мЗв, при среднем значении для населения земного шара 1,0 мЗв.

Радон считается предвестником землетрясений. Исходя из этого, Беларусь относили к радонобезопасной территории. Как показали последующие обследования, это далеко не так.

С геологической точки зрения, радоноопасными участками местности являются места геологических разломов. По последним литературным данным более 40 % территории Беларуси относится к разряду радоноопасных, что связано с неглубоким залеганием гранитов кристаллического фундамента, выделяющих радон, а также с широким развитием активных разломных зон и очагов разгрузки подземных минерализованных вод. Исследованиями геофизической экспедиции ПО «Беларусьгеология» аномально высокие содержания радона в почвенном воздухе надразломных зон установлены на Горецко-Шкловском и других участках области. При среднефоновых концентрациях около 1000 Бк/м³ содержание радона в почвенном воздухе зон активного разлома возрастало до 15 000-25 000 Бк/м³.

В Минске выявлено два разлома, пересекающих весь город. Первый – по линии Щемыслица – Уручье, проходящий примерно через Курасовщину, Минск-Южный, район тракторного завода, Степянку. Второй – параллельно линии Семково – Сосны, примерно через улицу Енисейскую, район улицы Кошевого, площадь Победы и вторая его часть – от площади Независимости вдоль улицы Тимирязева через Веснянку и далее.

Основной источник радона, поступающего в окружающую среду, – почва под зданием. Даже при обычных удельных активностях Ra²²⁶ в ней объемная активность радона в почвенном воздухе составляет десятки килобеккерелей (кБк). Из почвы под зданием и строительных материалов радон мигрирует по порам и трещинам. Происходящие при этом процессы обусловлены двумя основными механизмами:

• диффузией при наличии градиента концентрации радона в среде;

• конвекцией, вызванной разностью давлений между внутренним объемом здания и внешней атмосферой, различными частями здания.

В зданиях, где источником водоснабжения является артезианская скважина, расположенная в радоносодержащих горизонтах, потенциальным источником радона может являться вода, используемая для хозяйственных и бытовых нужд, так как при контакте ее с атмосферой помещения (особенно при разбрызгивании воды) активно выделяется в воздух растворенный в ней радон. Выделение радона из воды происходит интенсивнее при большей площади контакта с атмосферой и температуре воды.

Местом проникновения радона могут стать практически любые неплотности в оболочке здания, расположенные ниже уровня земли: трещины в перекрытиях, открытые участки почвы в подвальном помещении или подпольном пространстве, вводы труб и коммуникаций, стыки между плитами и блоками, поры в строительных материалах и др.

Источниками радиоактивного загрязнения городской среды также могут служить материалы и сырье для промышленного производства, горючесмазочные материалы, иные материальные ресурсы, загрязненные радионуклидами.

В связи с этим проблему обеспечения радоновой безопасности селитебной территории города следует решать комплексно.

Все проявления антропогенного нарушения геологической среды городов являются одним из основных факторов техногенного воздействия на биосферу в процессе техногенеза.

Техногенез – процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека (Реймерс, 1990).

В геохимическом аспекте техногенез проявляется:

• в извлечении химических элементов из природной среды и их концентрации;

• перегруппировке химических элементов, изменении химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создании новых веществ;

• рассеивании вовлеченных в техногенез химических элементов и веществ в окружающей среде.

Отрицательное действие техногенеза объединяется понятием загрязнение природной среды.

Техногенное воздействие на биосферу связано в основном с интенсивным перемещением веществ – техногенными миграционными потоками. Последствием этого являются нарушения в функционировании природно-территориальных комплексов, в том числе и урбанизированных территорий, в связи с изменением их геохимических характеристик и загрязнением продуктами техногенеза.

Интенсивность поступления того или иного химического элемента с техногенными потоками в биосферу определяется интенсивностью его использования в хозяйственной деятельности человека.

Химические элементы используются человечеством в зависимости от хозяйственной ценности по отношению к материальным потребностям; доступностью извлечения и способности элементов концентрироваться в земной коре. Например, алюминий и титан практически не использовались до начала XX в., так как технология извлечения их из минерального сырья была сложной и дорогой для того уровня развития техники. Тогда как руды других металлов образуют месторождения с большими запасами и широко использовались еще в древности.

Одним из существенных показателей использования химических элементов является распространенность, или их кларки в земной коре.

В 20-е гг. XX в. А.Е. Ферсман ввел в геохимию понятие кларка и выявил зависимость интенсивности использования элементов от их положения в Периодической системе Менделеева, т. е. зависимость интенсивности использования элементов от размеров атомов, ионов и их кларков. Им же разработаны таблицы кларков химических элементов в земной коре.

Кларк – числовая оценка среднего содержания какого-либо химического элемента в земной коре, гидросфере, атмосфере, Земле в целом, различных типах горных пород, космических объектах и др. Кларк может быть выражен в единицах массы (%, г/т и др.) либо в атомных процентах.

Как бы ни было ценно золото для человечества, его добыча никогда не сравняется с добычей железа, так как кларк золота -4,3-10^_7%, а железа – 4,65 %. Кремний и германий – химические аналоги и оксид германия Ge0₂ похож на оксид кремния Si0₂. Но кремний – второй по распространенности элемент в литосфере (кларк 29,5 %), а германий – редкий элемент (кларк 1,4*10^_4%). Поэтому соединения кремния – основа практически всех используемых человечеством строительных материалов, а германий добывается в небольшом количестве и используется в основном в электронной промышленности. Если бы кларк германия был бы столь же высок, как у кремния, то и этот элемент нашел бы большое применение.

Степень специального использования химического элемента в техносфере к его содержанию в литосфере характеризует технофильность элемента (ТФ).

Технофильностъю элемента называется отношение его ежегодной добычи к его кларку в литосфере. В принципе можно рассчитать ТФ для отдельной страны, группы стран, всего мира. Естественно, что ТФ является динамическим показателем и может резко изменяться во времени. На рис. 2.1 приведены значения ТФ, используемых в настоящее время человечеством.

Рис. 2.1. Технофильность химических элементов (Глазовская, 1988)

Наибольшей технофильностью обладает углерод (уголь, нефть), поэтому он стал одним из основных источников доступной энергии для человечества.

Химические элементы с резко различными кларками, но сходные в химическом отношении, часто имеют близкую технофильность. Например, у железа кларк – 4,65 %, у марганца -0,1 %, а технофильность их одинаковая – 6·10⁷%.

Технофильность элементов колеблется в миллионы раз – от 8·10¹¹ у углерода до 1·10³ у иттрия, но контрасты в кларках элементов составляют многие миллиарды (n·10¹ – n·10^–10). Наиболее высокую глобальную технофильность имеют Cl, С, она весьма высока у Pb, Sb, Zn, Си, Sn, Mo, Hg (см. рис. 2.1).

Именно поэтому человеческая деятельность в биосфере приводит к уменьшению геохимической контрастности техносферы по сравнению с биосферой и земной корой.

Другим количественным показателем значимости элемента является его общее техногенное использование, или техногенносте (ТГ):

ТГ = (М₁ + М₂)/К,

где М₁ и М₂ – соответственно степень вовлечения элемента в техногенные потоки для специального использования и в качестве побочных продуктов (отходов); К – кларк элемента в биосфере.

Показатель техногенности количественно характеризует степень общего вовлечения элемента в техногенные потоки в отличие от технофильности, характеризующей только степень его специального вовлечения.

Отношение показателей технофильности к техногенности элемента характеризуется коэффициентом полноты техногенного использования:

Р = ТФ/ТГ.

Кроме этих показателей, характеризующих интенсивность использования, а следовательно, количество элементов в техногенных потоках, существуют удельные показатели техногенного геохимического давления (Д) и модуль техногенного давления (МД):

Д = М₁ + М₂, т/год, МД = Д /S, т/год·км²,

где S – площадь рассматриваемого региона, км2.

В табл. 2.6 и 2.7 приведены данные по количественной оценке коэффициента полноты техногенного использования (Р) и модуля техногенного давления (МД) для современной техносферы Земли.

Таблица 2.6. Значение коэффициента полноты техногенного использования для современной техносферы (Глазовская, 1988)

Таблица 2.7. Значение величины модуля техногенного давления для современной техносферы (Глазовская, 1988)

Для многих элементов миграция в виде попутных примесей превышает их специальную добычу (As, U, S, V, Be, Se, I, Ge, Ті).

Техногенное давление определяется использованием в техносфере различных видов сырья. В глобальных масштабах с использованием угля непосредственно связано техногенное рассеивание Be, В, S, V, Mn, Ge, Ga, As, Se, Ag, Cd, U, W; для нефти – Li, S, Br, Cd, I; минерального сырья – Сг, Cu, Zn, Bi, Hg, Pb, Ni, Cl, Na, P, B, S.

Наибольшее техногенное давление присуще Na, Cl, Ca, Fe, S, N, К, причем рассеивание серы (в основном в виде оксидов) приводит к кислотному загрязнению атмосферных осадков и поверхностных вод, N и К – к увеличению содержания в водоемах питательных веществ (эвтрофикация водоемов) и нарушению в них экологического равновесия (бурное развитие цианобактерий).

На основании этих данных определяются технобиологические пространственные физико-географические единицы, обладающие сходной реакцией на одно и то же геохимическое воздействие. Они являются основой для создания схем районирования территории по вероятной интенсивности самоочищения от продуктов техногенеза. К показателям вероятностной интенсивности самоочищения территории от продуктов техногенеза (загрязнений) относятся: частота штилей, величина стока, величина ультрафиолетовой радиации (чем больше УФ-радиа-ция, тем больше интенсивность разложения загрязняющих веществ), число дней с грозами (озон, выделяющийся при грозе, также ускоряет разложение) и другие, т. е. все те физико-химические, микробиологические и биологические процессы, способствующие повышению и интенсификации естественных механизмов самоочищения территории. Аналогично разрабатываются схемы районирования территории по вероятной интенсивности разложения органических продуктов техногенеза в почвах. В них основными показателями являются энергия и время разложения растительного опада, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, а также другие, непосредственно зависящие от свойств почвенного покрова.

С целью снижения антропогенного воздействия на геологическую среду города в процессе техногенеза проводится мониторинг ее состояния и разрабатываются разнообразные мероприятия, что будет освещено в последующих главах.

2.2.1. Загрязнение почв и трансформация рельефа

Характерной особенностью геологической среды городов является трансформация рельефа и загрязнение почв на их территории.

Рельеф – совокупность неровностей земной поверхности, разных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. Рельеф слагается из положительных (возвышенности) и отрицательных (впадины) форм земной поверхности (Дедю, 1990).

Хозяйственная и строительная деятельность человека в течение исторического времени существования города значительно, а иногда практически полностью меняет первоначальный естественный рельеф местности, что выражается в перепланировке и выравнивании поверхности, исчезновении долинно-балочной разветвленной сети и создании антропогенного (техногенного) рельефа.

Антропогенный (техногенный) рельеф – совокупность форм земной поверхности, измененных или созданных человеком. Различают стихийно возникающие и сознательно созданные формы антропогенного рельефа (Реймерс, 1990).

Изменение рельефа происходит при вертикальной планировке, застройке и благоустройстве территории, добыче полезных ископаемых. Это связано со срезкой, подсыпкой и перемещением грунтов; складированием отвалов грунта, твердых промышленных и иных отходов; террасированием склонов; устройством выемок; опусканием и просадкой поверхности земли; засыпкой оврагов, болот и т. д.

Рельеф города непосредственно влияет на водную и воздушную миграцию загрязняющих веществ.

Влияние процессов искусственного рельефообразования на территории городов неоднозначно: выравнивание крутизны склонов и перепада высот вследствие засыпки оврагов, балок, промоин и других элементов естественного рельефа, планировка и намыв строительных площадок, с одной стороны, снижают интенсивность склоновых и эрозионных процессов, с другой стороны – снижают дренирующие возможности территории, изменяют естественные области разгрузки подземных вод, что приводит к формированию верховодки, повышению уровня грунтовых вод и к подтоплению территории.

На территории городов почвы подвергаются загрязнению, которое можно подразделить на механическое, химическое и биологическое.

Механическое загрязнение заключается в засорении почв крупнообломочным материалом в виде строительного мусора, битого стекла, керамики и других относительно инертных отходов. Это оказывает неблагоприятное влияние на механические свойства почв и снижают эстетические свойства природных объектов.

Химическое загрязнение почв связано с проникновением в них веществ, изменяющих естественную концентрацию химических элементов до уровня, превышающего допустимые, следствием чего является изменение физико-химических свойств почв. Этот вид их загрязнения является наиболее распространенным, долговременным и опасным.

Биологическое загрязнение связано с проникновением в почвенную среду и размножением в ней опасных для человека организмов. Бактериологические, гельминтологические и энтомологические показатели состояния почв городских территорий определяют уровень их эпидемиологической опасности. Эти виды загрязнения подлежат контролю, прежде всего на территории селитебных и рекреационных зон.

Для городских условий загрязненные почвы рассматривают прежде всего как источник вторичного загрязнения атмосферного воздуха. На основе сопряженных геохимических и гигиенических исследований установлена возможность использования уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагополучного состояния атмосферы и оценки степени опасности загрязнения территории для здоровья населения. Исходной величиной для оценки уровня загрязнения почв в этом случае является значение фоновой концентрации рассматриваемого вещества в почвах региона. Обычно такие подходы используют при анализе загрязнения территории тяжелыми металлами и другими токсичными элементами.

Геохимический фон – среднее содержание химического элемента в почвах по данным изучения статистических параметров его распределения. Геохимический фон является региональной или местной характеристикой почв и пород.

Участок территории, в пределах которого статистические параметры распределения химического элемента достоверно отличаются от геохимического фона, называется геохимической аномалией.

Геохимические аномалии, в пределах которых содержание загрязняющих веществ достигает концентраций, оказывающих неблагоприятное влияние на здоровье человека, называют зонами загрязнения.

Уровень загрязнения характеризуется величиной коэффициента концентрации K_Ci, которую определяют из соотношения

K_Ci =C_i/ C_фi ,

где С_i – концентрация i-гo загрязняющего вещества в почве; C_фi – фоновая концентрация i-гo загрязняющего вещества, мг/кг почвы.

Загрязнение обычно бывает полиэлементным, и для его оценки рассчитывают суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентраций над фоновым уровнем:

где К_с – коэффициент концентрации /-го элемента; п – число элементов; К_с > 1.

Химические элементы, условно называемые тяжелыми металлами (свинец, цинк, медь, кадмий, ванадий и др.), не только сами являются опасными для здоровья человека, но и служат индикаторами присутствия более широкого спектра загрязняющих веществ (газов, органических соединений).

Величину суммарного показателя загрязнения почв используют для оценки уровня опасности загрязнения территории города. Значения суммарного показателя загрязнения до 16 соответствуют допустимому уровню опасности для здоровья населения; от 16 до 32 – умеренно опасному; от 32 до 128 – опасному; более 128 – чрезвычайно опасному.

Также в качестве показателя степени загрязнения почв применяется коэффициент концентрации загрязнения (ККЗ) почвы, вычисляемый по формуле

где ККЗ. – коэффициент концентрации загрязнения для /-го вещества; ПДК. – предельно-допустимая концентрация /-го вещества; х. – содержание /-го загрязняющего вещества; – фоновое содержание этого вещества в почве.

Геохимическое изучение почв в городе на регулярной основе позволяет получить пространственную структуру загрязнения селитебных территорий и выявить участки, проживание на которых сопряжено с наибольшим риском для здоровья населения.

Наибольшее внимание вызывают вопросы загрязнения почв городов тяжелыми металлами, так как их поступление в организм человека обуславливает возникновение ряда неизлечимых соматических и генетических заболеваний.

В настоящее время для многих крупных городов мира составлены картосхемы и кадастры загрязнения почв тяжелыми металлами, такими как Pb, As, Си, Zn, Cd, Ni, Hg.

В Беларуси также ведется постоянный мониторинг загрязнения почв городов тяжелыми металлами, и выявляются источники их поступления в почвы.

Также наиболее значимыми и опасными для здоровья человека загрязнителями почв города являются:

• различные формы пестицидов, привнесенные агроландшафтами, включенными в застройку, и характерные в основном для молодых по историческому времени городских территорий;

• органические отходы (жидкие сточные воды животноводческих и птицеводческих комплексов, тепличных комбинатов; промышленные органические отходы; городские сточные воды);

• соли (прежде всего хлориды натрия и кальция, попадающие в почву при зимней обработке дорог и тротуаров);

• вещества, попадающие на почву с загрязненными атмосферными осадками;

• радионуклиды.

В значительной степени загрязненность почв определяется количественным и качественным составом выбросов и сбросов, удаленностью их от источника загрязнения, особенностей источников загрязнения, основных метеорологических характеристик территории, геохимических факторов, форм рельефа.

При максимальном уровне химического загрязнения почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, в результате чего происходит потеря всех экологически значимых функций урболитосферы и гибель урбосистемы. Почвы, формирующиеся в урбоэкосистеме, являются ее основой, так как в них замыкаются биогеохимические круговороты веществ; происходит биогеохимическое преобразование культурного насыпного слоя и трансформация поверхностных вод в грунтовые; осуществляется газообмен; обеспечивается функционирование и воспроизводство живого вещества урбо-экосистемы.

На рис. 2.2 представлена роль почвы в городских экосистемах, а также пути поступления загрязняющих веществ в почвы городов.

Для поддержания и сохранения урбоэкосистемы необходимо, с одной стороны, всячески усиливать и активизировать экологические функции деградированных городских почв и, с другой – создавать их вновь в свежем нарушенном или насыпаемом грунте при организации селитебной территории города.

Рис. 2.2. Роль почвы в городских экосистемах (Добровольский, 1997)

2.2.2. Отходы и жизнедеятельность городов

Отходы – это непригодные для производства данной продукции виды сырья, его неупотребимые остатки или возникающие в ходе технологических процессов вещества (твердые, жидкие, газообразные). Образование и прогрессирующее накопление отходов на территории городов – это объективная и неустранимая реальность современного процесса урбанизации. Известно, что в городе с населением 1 млн жителей ежегодно производится и накапливается около 3,5 млн т твердых и концентрированных отходов (осадки из отстойников и концентрат жидких отходов).

Существует ряд классификаций отходов по их составу, способам утилизации, методам удаления с территории города и др. Но все они подразделяются в зависимости от происхождения на производственные и коммунальные.

Производственные отходы (ПО) включают все виды отходов, образующиеся на промышленных предприятиях города, а коммунальные отходы (КО) – в процессе жизнедеятельности города, за исключением производственных.

Каждой тонне мусора на стадии потребления соответствует образование от 5 до Ют отходов на стадии производства и 50-100 т при получении сырья. На каждого жителя Земли приходится в среднем за год 0,2 т отходов потребления, 1,5 т всех продуктов производства и около 14 т отходов переработки сырья.

С экологической точки зрения вся масса отходов опасна. Но для человека считается опасной лишь та их часть, которая обладает тем или иным уровнем токсичности. Существуют различные оценки опасности отходов, загрязняющих землю.

Ежегодно в мире образуется от 1 до 1,5 млрд т вредных производственных и 400–450 млн т твердых бытовых отходов, загрязняющих поверхность земли. Наиболее опасны те токсичные терраполлютанты, которые и геохимически, и биохимически достаточно подвижны и могут попасть в питьевую воду или в растения, служащие пищей для человека и сельскохозяйственных животных. Это в первую очередь соединения тяжелых металлов, некоторые производные нефтепродуктов – полициклический ароматический углеводород (ПАУ) и соединения типа диоксинов, а также разнообразные синтетические яды – биоциды. Ежегодно в мире производится около 500 млн т опасных отходов. Ими загрязняются значительные земельные площади и водоемы. Например, общая площадь земель Российской Федерации, загрязненных токсичными веществами промышленного происхождения, оценивается величиной порядка 70 млн га.

Большинство опасных и токсичных отходов обладают высоким и длительным кумулятивным воздействием на окружающую среду. При их складировании происходят многочисленные вторичные химические процессы, в результате чего в среду поступают совершенно новые, непредсказуемые по своему воздействию на человека и экосистемы вещества. Установлено, например, что в шламах азотного производства при некоторых условиях образуется ряд нитрозаминов – сильнейших мутагенов и канцерогенов.

В промышленных зонах города и в зонах их влияния места складирования (захоронения) отходов вместе с аэрогенными выпадениями образуют значительные техногенные геохимические аномалии ряда металлов, которыми загрязняются почвы, грунты, растительность и подземные воды. Наиболее опасными в этом плане также являются тяжелые металлы, радионуклиды.

Обычно загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами в местах их добычи, переработки, транспортировки и отпуска потребителям превышает фоновое в десятки раз. Однако наиболее опасные формы нефтяного загрязнения связаны с многочисленными повреждениями нефтепроводов и продуктопроводов, когда на местах разливов нефти и нефтепродуктов гибнут многие растения и животные. Также отрицательное воздействие на них оказывают проливы горючесмазочных материалов на открытых стоянках автотранспорта, территориях станций технического обслуживания (СТО), автозаправочных станций. Из-за нефтяных загрязнений в почве накапливаются стойкие ПАУ, среди которых есть сильные канцерогены. Далее с ливневыми стоками нефтяные загрязнения попадают в поверхностные водоемы города и пригородной зоны, проникают в подземные горизонты.

С производством, применением и утилизацией пестицидов связано появление в окружающей среде еще одной группы крайне ядовитых веществ – диоксинов и фуранов. В городах они могут образовываться при сжигании угля, углеводородов, пластмасс, КО и ПО.

Один из диоксинов – тетрахлордибензодиоксин (ТХДД) занимает пятое место в ряду самых сильных из известных ядов. Предполагается, что максимальная недействующая доза этого вещества для человека не превышает 10^_6 мкг/кг. Они крайне опасны вследствие чрезвычайно высокой токсичности, трудности диагностики у человека, отсутствия доступных методов патогенетической терапии, а также возможного поступления в окружающую среду из многих источников.

Известно, что диоксины и фураны являются универсальным клеточным ядом для человека, всех видов животных и большинства растений. Они чрезвычайно устойчивы к химическому и биологическому разложению, сохраняются в окружающей среде десятки лет, беспрепятственно продвигаются по пищевым цепям (водоросли, планктон → рыба → человек; почва → растения, почвенная фауна → травоядные животные → человек). Загрязнение почвы и воды приводит к уничтожению всех обитающих в них живых организмов, что полностью меняет структуру и характер сложившихся экосистем.

Механизм токсического действия этих веществ до конца не изучен. Считается, что токсический эффект обусловлен их взаимодействием с одним из клеточных рецепторов, участвующим в биосинтезе белков в клетке. Комплекс белка с молекулой действующего вещества активизирует кодирование синтеза определенных белков в клетке, отвечающих за иммунный статус организма.

Высокую токсичность диоксинов и фуранов связывают с их исключительными липофильностью, стабильностью и способностью накапливаться в живых организмах, главным образом в жировой ткани, печени, органах кроветворения.

При сжигании или естественном горении всех видов природного топлива, в том числе и древесины, также образуется бензопирен, являющийся активным клеточным ядом, способным образовывать стойкие токсичные соединения при медленном разложении КО свалок и полигонов.

Ежегодно пригородные территории сокращаются в связи с необходимостью расширения площадей полигонов и свалок городских отходов. Если в крупных промышленных центрах градообразующие предприятия обычно имеют собственные полигоны для опасных и токсичных отходов, для ПО, шламо- и хвостохранилища, заводские свалки, оборудованные в соответствии со всеми требованиями санитарно-гигиенической, экологической и пожарной безопасности, то для средних и малых городов характерно образование городских смешанных свалок.

Кроме того, значительная часть ПО сортируется и перерабатывается как вторичное сырье, тогда как твердые коммунальные отходы (ТКО) до настоящего времени складируются на территории полигонов ТКО безо всякой сортировки и обеззараживания.

В силу этого свалки КО являются крупнейшим источником химического и биологического загрязнения окружающей среды, непосредственно влияющим на качество среды жизни населения.

Места скопления ПО и КО являются источниками поступления в атмосферу ряда токсичных соединений. От них с ливневыми и талыми водами в литосферу и гидросферу поступают биогенные, опасные и токсичные загрязнители. Свалки являются местом роста и развития патогенной микрофлоры, гельминтофауны, грызунов – потенциального резервуара многих опасных инфекционных заболеваний.

Переносу заболеваний со свалок на жилые территории способствуют и крупные птицы, в первую очередь – вороны. Следует отметить, что образование и длительное существование крупных полигонов ТКО вблизи городов вызвало в настоящее время изменение основных поведенческих реакций целого ряда видов крупных и мелких зверей и птиц, для которых они стали основным местом укрытия, размножения и получения пищи. Отмечается, что даже такие узкотрофные виды как чайки, ласточки, лисы и ласки стали предпочитать свалки в качестве пищевого ареала, существенно расширив пищевое разнообразие. За достаточно короткое время эти виды зверей и птиц выработали биохимические адаптации для питания смешанными эволюционно нехарактерными для них видами корма. Но это также значит, что в результате переселения на свалки ряда видов зверей и птиц нарушились традиционные связи в естественных биотопах и биоценозах, что приводит к их трансформации и разрушению.

По статистическим данным на территории Беларуси в 2013 г. образовалось 1437 видов отходов с широким спектром морфологических и химических свойств. Большая часть из них (около 40,3 млн т) представляют ПО, из них 7427,1 тыс. т – отходы 1-3-го классов опасности, причем практически вся масса отходов производства приурочена к городским территориям. Уровень вторичного использования ПО составляет 28,6 %, что на 2,6 % меньше, чем даже в 2010 г. В настоящее время в стране перерабатываются преимущественно строительные отходы, образующиеся в процессе строительства, производстве строительных материалов и конструкций. Все неиспользованные ПО скапливаются на объектах хранения в ведомственных местах хранения и на территории предприятий. Всего там находится 36,7 млн т (без учета галитовых отходов и глинисто-солевых шламов ОАО «Беларуськалий», которых накоплено более 832 и 99 млн т соответственно).

В последние десятилетия в стране наблюдается постоянный рост объема КО. Показатель удельного образования ТКО за этот период увеличился с 0,485 до 1,2 кг/чел. в день (в странах Евросоюза – 0,85-1,7 кг/чел. в день). Причем в составе КО наблюдается стойкое увеличение доли полимерных материалов и отходов от упаковок и стекла. Всего отходов потребления образовалось 3212 тыс. т.

Коммунальные отходы захораниваются на полигонах ТКО, где их сейчас находится 90,4 %. Остальная часть КО размещается на мини-полигонах. На полигоны ТКО наряду с КО вывозятся частично ПО, отходы жизнедеятельности населения и подобные им, некоторые неопасные и 3-1-го классов опасности ПО.

Всего в стране зарегистрировано 170 полигонов ТКО, которые обслуживают г. Минск, областные и районные центры. Централизованным вывозом КО охвачены практически все сельские населенные пункты, для обслуживания которых создано 3038 мини-полигонов.

Суммарная площадь земельных отводов под полигоны ТКО составляет около 900 га, более 50 % которых уже занято отходами. Как показали обследования полигонов ТКО, большая их часть находится в неудовлетворительном техническом состоянии, не соответствует действующим требованиям санитарно-гигиенической и экологической безопасности, что способствует их негативному воздействию на городскую среду. В связи с этим в Беларуси приняты законы, ТИПА, иные документы, которые обеспечивают снижение негативного воздействия на городскую и окружающую среду, улучшить ее качество. Также снижению отрицательного влияния отходов производства и потребления на городскую среду должны способствовать как глобальная экологизация производства и потребления, так и массовое сознание через образование и обучение.

2.2.3. Обращение с отходами производства и потребления в городах

Охрана городской среды от негативного влияния всех видов отходов производства и потребления является в настоящее время наиболее сложной экологической проблемой. С этой целью в соответствии с действующим законодательством Беларуси субъекты хозяйствования обязаны:

• внедрять в производство экологически чистые, малоотходные, безотходные и ресурсосберегающие технологии;

• максимально использовать отходы производства и потребления;

• проводить лабораторный контроль качества окружающей среды в местах складирования и временного хранения отходов;

• возмещать в полном объеме вред, причиненный окружающей среде, здоровью и имуществу граждан и организаций при нарушении законодательства в области обращения с отходами;

• предоставлять любую информацию по вопросам образования отходов и обращения с ними;

• немедленно оповещать штаб Гражданской обороны (ГО), местные органы власти, а также органы Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды (далее – Минприроды) и санитарного надзора о случаях попадания опасных отходов в окружающую среду;

• обеспечивать транспортируемые и хранящиеся отходы специальными этикетками со знаками класса опасности, названия отходов, их агрегатного состояния, цвета, запаха, пожароопасных свойств, вида упаковки и специальных требований при обращении с ними, в том числе при аварии, адресом предприятия, где получены эти отходы.

Собственники отходов обязаны разработать и утвердить Паспорт опасности отходов и Инструкцию по обращению с отходами производства, срок действия согласования инструкции составляет 5 лет.

Обезвреживание отходов должно осуществляться только на объектах обезвреживания отходов, эксплуатация которых производится в соответствии с требованиями, установленными законодательством Беларуси в области обращения с отходами.

Сбор опасных отходов осуществляется с учетом класса опасности: отходы 1-го класса помещаются в тару – стальные баллоны; 2-го класса – в прочные полиэтиленовые мешки. Допускаются также другие виды тары для хранения опасных отходов, согласованные с органами санитарного надзора. Сбор опасных отходов в жидком и пастообразном состоянии осуществляется в герметичные и коррозионностойкие емкости, устанавливаемые в специально отведенном месте. Опасные промышленные отходы после затаривания взвешиваются, результаты вносятся в журнал учета.

В соответствии с действующим законодательством опасные отходы предприятий подлежат временному хранению на их территории, пока не будет разработана технология по их утилизации или не будут созданы региональные полигоны для захоронения этих отходов. Предельное количество накопленных отходов на территории предприятия устанавливается в соответствии с нормативным документом «Предельное количество накопления токсичных промышленных отходов на территории предприятия (организации)».

На полигоны по обезвреживанию и захоронению опасных промышленных отходов принимаются только отходы 1-3-го классов опасности. Твердые промышленные отходы 4-го класса опасности по согласованию с органами санитарного надзора и коммунальными службами могут вывозиться на полигоны для складирования КО. Складирование и захоронение промышленных отходов производится на платной основе на основании разрешений территориальных органов Минприроды.

Наиболее опасными являются такие отходы, которые содержат химически активные загрязнители, способные поступать в питьевую воду или в растения, служащие пищей для человека и сельскохозяйственных животных. Это в первую очередь синтетические яды (биоциды) – соединения ТМ, пестициды, гербициды и прочие стойкие органические соединения, некоторые продукты нефтепереработки – циклические и полициклические ароматические углеводороды и др.

Первостепенной задачей в области охраны городской среды от негативного влияния отходов является удаление и переработка твердых бытовых отходов от населения и других видов ТКО.

Норматив образования коммунальных отходов – это установленное среднее количество КО, образуемое в процессе жизнедеятельности человека или в процессе осуществления экономической деятельности, необходимой для обеспечения жизнедеятельности человека в населенных местах, на расчетную единицу (кг/м², т/м² и т. д.).

Нормы накопления отходов – это количество отходов, накопленное за определенный период времени (сутки, год) и отнесенное к расчетной единице (один человек, одно гостиничное место, 1 м² торговой территории и т. д.).

В нашей стране порядок и условия обращения с КО на территории населенных мест устанавливаются местными исполнительными и распорядительными органами по согласованию с соответствующими территориальными органами Минприроды и Министерства здравоохранения Республики Беларусь (далее – Минздрав).

Местные исполнительные и распорядительные органы утверждают для каждого населенного пункта нормативы образования КО (дифференцированные и общие средние), организуют сбор, перевозку, хранение и обезвреживание КО, находящихся на их территории, а также взимание платежей за размещение отходов.

Дифференцированный норматив образования КО устанавливает количество образующихся КО дифференцированно в жилищном фонде по видам благоустройства и объектам обеспечения жизнедеятельности человека в населенных местах в течение определенного промежутка времени на расчетную единицу. Он применяется при выборе системы сбора, в том числе раздельного сбора, определения количества контейнеров, разработке транспортных схем вывоза, расчете лимитов размещения отходов производства, входящих в состав КО, а также при проведении расчетов за оказанные услуги по санитарной очистке. Основными показателями для дифференцированных нормативов образования КО являются объем, масса, средняя плотность, коэффициенты суточной и сезонной неравномерности образования.

В табл. 2.8 приведены некоторые данные по рекомендуемым дифференцированным нормативам образования отходов в городах в соответствии с Правилами определения нормативов образования коммунальных отходов.

Общий средний норматив образования КО устанавливает общее количество образующихся в течение года КО на территории населенного места на одного жителя. Он используется при планировании системы санитарной очистки населенного места (проектировании объектов по захоронению и переработке КО, определении количества специальной коммунальной техники и работников, расчета расхода горючесмазочных материалов и других затрат на санитарную очистку). Основными показателями для общей средней нормы образования КО являются их средний объем и средняя плотность.

При выборе методов обращения с отходами, широко используемых на практике, следует пользоваться следующими понятиями:

• размещение отходов – хранение и захоронение отходов;

• хранение отходов – содержание отходов на объектах размещения в целях их последующего захоронения, обезвреживания или использования;

• захоронение отходов – изоляция отходов, не подлежащих дальнейшему использованию, в специальных хранилищах в целях предотвращения попадания вредных веществ в окружающую природную среду;

• использование отходов – применение отходов для производства товаров (продукции), выполнения работ, оказания услуг или для получения энергии;

• обезвреживание отходов – обработка отходов, в том числе сжигание и обеззараживание их на специализированных установках, в целях предотвращения вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую природную среду.

Таблица 2.8.Некоторые рекомендуемые дифференцированные нормативы образования коммунальных отходов в населенных пунктах

Ориентировочный морфологический состав и физические свойства ТКО, образующихся в населенных пунктах страны, приведены в ТКП 17.11-02-2009 «Объекты захоронения твердых коммунальных отходов. Правила проектирования и эксплуатации» (табл. 2.9).

Таблица 2.9. Примерный усредненный годовой состав твердых коммунальных отходов

Примечания. 1. Основная масса ТКО (95–98 %) имеет размер менее 0,25 м. 2. Средняя плотность в местах сбора составляет около 200 кг/м³. 3. Средняя влажность – 52 %.

На количество накопления ТКО и их состав влияют уровень благосостояния населения, степень благоустройства жилья, культура торговли, ассортимент товаров, степень развития общественного питания и прочее. Как показывает практика, состав ТКО в мире относительно постоянен. Поэтому для их утилизации выработана унифицированная для большинства стран система, позволяющая депонировать или переработать большинство компонентов ТКО.

Данная система состоит обычно из трех взаимодополняющих и технологически связанных между собой блоков: рециклинг, или повторное использование; утилизация; складирование (депонирование).

Система защиты городской среды от негативного влияния отходов жизнедеятельности и соотношение блоков между собой определяется уровнем развития производства, хозяйственной деятельности, ее преимущественной ориентацией, техники и технологии, социального сознания населения и другими факторами. Известно, что в Японии до 90 % ТКО направляется на повторное использование; в США их складируется до 80 %, в Польше – до 98 %.

Рециклинг (повторная переработка) ТКО. Это наиболее прогрессивный и экологически оправданный способ использования отходов, который уже в большинстве развитых стран превратился в особого рода производственную деятельность со своей структурой, специфическими технологиями и аппаратурным оформлением как собственно производства, так и его экологической безопасности.

Структура рециклинга состоит:

• из сети предприятий по сбору, обработке и переработки ТКО;

• доставки ТКО на специализированные предприятия по их переработке;

• производства продукции из переработанных ТКО;

• реализации полученной продукции.

Для обеспечения бесперебойной работы этой сети создается соответствующая материально-техническая база.

В основе данного метода лежит метод дифференцированного (раздельного) сбора отходов, при котором осуществляется сортировка отходов по виду с целью максимального дальнейшего извлечения утильных компонентов. При разделении отходов выделяют две категории:

• I категория – отходы, которые могут быть использованы для получения аналогичной продукции (стекло, бумага, металлы, пластмассы и др.);

• II категория – отходы, содержащие опасные или особо ценные компоненты (аккумуляторные батареи, цветные и редкие металлы, некоторые пластмассы и т. д.).

После разделения ТКО на фракции каждая их них поступает на последующую технологическую стадию переработки в конечный продукт.

Наибольшим уровнем повторного использования характеризуются ПО, которые, как правило, хорошо разделены, а также та часть КО, для которой централизованно налажен сбор (металлы, макулатура, аккумуляторные батареи, ветошь).

Известно, что в США 95 % всех упаковочных алюминиевых банок выпускается из вторичного сырья, что позволяет экономить порядка 5 % электроэнергии, затрачиваемой на производство из природного сырья, а также существенно снизить его расход. В Германии путем рециклинга получают 75 % всей стали, 33 % меди, 17 % алюминия, 50 % свинца, 33 % цинка. В большинстве стран действуют целевые государственные программы, поддерживающие, ориентирующие и субсидирующие малый и средний бизнес на сбор, сортировку, транспортировку и переработку отходов. Кроме того, эти программы также направлены на экономическую и моральную заинтересованность населения в разделении твердых бытовых отходов при их удалении из жилой зоны.

Утилизация ТКО. Основными методами утилизации отходов являются:

• прямое сжигание;

• пиролиз, или высокотемпературное разложение;

• брикетирование и грануляция;

• получение биогаза;

• компостирование.

Прямое сжигание – это довольно распространенный и эффективный способ сокращения объемов ТКО в поселениях. Однако с экологической и санитарно-гигиенической точки зрения этот способ представляет собой значительную опасность для городской и пригородной среды.

Мусоросжигающие заводы (МСЗ) являются источниками значительного количества выбросов и технологических отходов, представляющих при несоблюдении ряда технологических требований очень серьезную опасность для окружающей среды и здоровья населения. Такими требованиями являются:

• температура сжигания должна составлять 500 – 1400 °C;

• продолжительность сжигания должно быть не более 3 с;

• полное сжигание требует обязательного создания турбулентных воздушных потоков.

В зависимости от состава и способа сжигания на 1 т мусора приходится 300–500 кг несгоревших технологических отходов (шлаки, зола, дымовые газы).

Шлаки представляют собой гетерогенный материал очень сложного состава, обладающий специфическими физико-химическими свойствами, в частности высокой адсорбционной и теплотворной способностью. Они составляют обычно 10 % объема и 30 % массы сжигаемых ТКО, сравнительно безвредны и после определенной очистки (от метана) могут использоваться для дорожного покрытия, строительных материалов, материалов для отсыпки дамб, звукоизоляционных и утеплительных плит.

При сжигании 1 т ТКО в среднем образуется порядка 25–34 кг летучей золы. Около 95–99 % ее обычно улавливается очистным оборудованием и вывозится на свалки. Остальная часть золы выбрасывается в атмосферу вместе с дымовыми газами (водяным паром, оксидами азота и углерода, летучими органическими соединениями).

С золой и дымовыми газами в атмосферу попадают наиболее опасные для человека отходы мусоро сжигания – диоксины и фураны, которые присутствуют в самой летучей золе, колосниковых и дымовых газах, воздухе территории МСЗ, в крови персонала предприятий и населения, проживающего в зоне его влияния.

На свалках из неуловленной золы МСЗ диоксины и фураны могут попадать в грунтовые воды. В районах захоронения этой золы они обнаруживаются в молоке коров, коз, в крови домашних животных и птиц, откуда могут попасть в организм человека.

Помимо диоксинов и фуранов в процессе му соро сжигания в атмосферу, почву и водные объекты попадает значительное количество металлов, в том числе и тяжелых, соединения серы, хлора, фтора и другие, объем которых зависит только от номенклатурного состава сжигаемого мусора.

Эффективность применения мусоросжигания при условии выполнения всей полноты природоохранных мероприятий существенно возрастает за счет использования избытков теплоты на отопление и производство электроэнергии. Например, около 3 % электроэнергии Швеции и 5 % энергопотребления Брюсселя обеспечивается за счет сжигания ТКО. По разным оценкам 1 т ТКО эквивалентна 200–250 кг угля и 150 кг мазута.

В США сжигается 5 %, Японии – 26, Германии – около 35, Швеции – 51, Швейцарии (одна из самых экологически безопасных стран мира) – 75 % ТКО.

Пиролиз (высокотемпературное разложение) – активно развивающийся в последнее время способ утилизации ТКО, направленный на максимальное получение газа и нефтеподобных жидких продуктов. Пиролиз – это термическая обработка ТКО нагреванием без доступа воздуха. Различают низкотемпературный (500–600 °C) и высокотемпературный (свыше 1100 °C) пиролиз.

При таком разложении образуются продукты, которые могут использоваться в хозяйственной деятельности: газообразное топливо, твердый углеродистый остаток и смола. В качестве побочного продукта образуется подсмольная вода. Углеродистый остаток – пирокарбон, содержащий до 30–40 % углерода, применяют в качестве заменителя низкосортных графитов, заполнителя асфальтобетонных смесей, низкосортного топлива, сорбента; смола используется как топливо, компонент асфальтобетонных смесей, сырье для производства химических соединений; подсмольная вода – как антисептическое средство, в частности, для пропитки шпал.

Существуют три типа установок по пиролизу: горизонтальные (барабанного типа), вертикальные (шахтного типа) и смешанные. В них перерабатывается некомпостируемая часть ТКО (резина, кожа, текстиль). Поэтому внедрение пиролизных установок способствует созданию малоотходных технологий переработки ТКО.

К недостаткам существующих установок относятся низкая производительность, несовершенная система очистки газообразных продуктов, высокая энергоемкость процесса.

К достоинствам этого метода следует отнести использование газообразных продуктов пиролиза (пара и топливного горючего газа) как в самом процессе пиролиза, так и за его пределами. При этом методе выброс газообразных продуктов в атмосферу резко снижается, в связи с этим пиролизные установки утилизации ТКО можно устанавливать в городской черте.

Брикетирование и грануляция. Эти процессы направлены на получение из ТКО твердого топлива. В результате предварительного отбора и высушивания органической фракции ТКО теплота сгорания брикетов и гранул возрастает в 2 раза по сравнению с исходным продуктом, полученное топливо может храниться длительное время, не представляет опасности при хранении и транспортировке. За счет сортировки в таком топливе сокращается количество металлов и токсичных соединений. Такая установка давно работает в Донкастере (Великобритания) и производит 350 тыс. т гранулята каждый год. Значительное количество ТКО в Японии превращается в гранулы, которые используются при производстве строительных материалов, бетона или раствора, причем гранулы смешиваются с золой или шлаком МСЗ.

Однако получение брикетов и гранул из ТКО – процесс энергоемкий, требующий значительных финансовых вложений и трудозатрат. В связи с этим такие установки рекомендуются для городов и малых населенных пунктов.

Получение биогаза. В основе процесса лежит биотермиче-ское разложение органического вещества ТКО, протекающее при участии микроорганизмов с выделением теплоты. На первом этапе в слое отходов протекают аэробные процессы, затем нарастают анаэробные, конечным продуктом которых является биогаз.

Опыт показывает, что удельный выход газа составляет порядка 500 л на 1 кг сухого органического материала, который составляет до 40 % ТКО. Из каждой тонны отходов образуется до 250 м³ биогаза, состоящего из 50–60 % метана, 30–45 % диоксида углерода, 1–2% сероводорода и 1–2% – соединения азота, водорода, кислорода и других (всего до 32 компонентов). Состав биогаза зависит от номенклатуры и качества исходного органического сырья, степени его сортировки и подготовки, соблюдения технологии процесса.

После очистки и осушки биогаза теплота его сгорания может достигать 80 % по сравнению с природным газом, и он может эффективно использоваться в качестве топлива. Например, в Швеции местные автобусные маршруты и легковые перевозки практически полностью переведены на биогаз, получаемый из ТКО.

Основной проблемой использования биогаза является относительно высокий процент серы, сернистых соединений и галогенов в выбросах установки. Кроме того, экономическая эффективность сжигания биогаза быстро падает по мере удаления от места его производства. Биогаз – это сравнительно легкодоступное топливо для коммунальных и транспортных нужд.

Еще одним источником биогаза является такое обязательное природоохранное мероприятие, как дегазация свалок. При эксплуатации полигонов ТКО используют пассивную и активную дегазацию свалок. Первая осуществляется за счет избыточного давления образующихся в толще отходов газов (применяется редко, так как недостаточно эффективна и требует высокой степени изоляции свалки). Вторая осуществляется с помощью специальных устройств для добычи газа. Хорошо зарекомендовали себя системы вертикальных скважин, соединенные горизонтальными дегазационными трубопроводами.

Биогаз, после его очистки от углекислого газа, используется как источник тепловой энергии.

Компостирование ТКО заключается в получении компостных смесей из органической части ТКО за счет ее биологической переработки. В таких компостах несколько меньше органических веществ по сравнению с традиционными, получаемыми из отходов животноводческих и птицеводческих хозяйств, но больше микроэлементов. Основная задача при получении такого компоста состоит в предотвращении попадания в него тяжелых металлов и других токсичных соединений из исходного сырья.

Компосты из ТКО широко используются в европейских странах для создания искусственных плодородных грунтов в лесоразведении, благоустройстве и озеленении территорий и т. д.

Складирование (депонирование) ТКО. Складирование отходов до настоящего времени является наиболее общепринятым методом обезвреживания отходов.

Мощность объекта захоронения ТКО определяется количеством отходов, которое может быть принято на полигон в течение одного года. По этому показателю в техническом кодексе установившейся практики (ТКП) 17.11-02-2009 «Объекты захоронения твердых коммунальных отходов. Правила проектирования и эксплуатации» существует их классификация (табл. 2.10).

Таблица 2.10. Классификация объектов захоронения твердых коммунальных отходов

Современный полигон ТКО – это сложное комплексное природоохранное сооружение, предназначенное для захоронения и обеззараживания отходов (рис. 2.3).

При соблюдении действующего природоохранного законодательства, ТИПА в области обращения с отходами обеспечивается экологическая безопасность их складирования, хранения и обеззараживания.

Средний расчетный срок эксплуатации полигона составляет 15–20 лет.

Размещаются полигоны ТКО (далее – полигоны), как правило, на землях несельскохозяйственного назначения, на участках со слабо фильтрующими грунтами (глины, тяжелые суглинки) и глубоким залеганием грунтовых вод, с использованием естественных или техногенных углублений рельефа местности (суходольные овраги, балки, отработанные карьеры нерудных строительных материалов). Запрещается их размещение на площадях залегания полезных ископаемых, в зоне геологических разломов и карстовых явлений, на оползневых участках, в заболоченных местах, на землях природоохранного, рекреационно-оздоровительного и культурно-исторического назначения, водного и лесного фондов, на землях населенных пунктов.

Рис. 2.3. Принципиальная схема устройства полигона ТКО (Хомич, 2002,2006)

При проектировании полигонов предусматривается устройство производственной, хозяйственной и санитарно-защитной зон (СЗЗ), оборудованных соответствующими техническими, технологическими, транспортными и природоохранными средствами. Особое внимание при проектировании полигонов уделяется полному предотвращению негативного влияния объекта на окружающую среду в процессе строительства и эксплуатации.

Конец ознакомительного фрагмента.