Проектирование и эксплуатация полигонов для захоронения отходов

Введение

По оценкам ФГУ «НИЦПУРО» [6], каждый год в России образуется более 3 млрд. тонн отходов промышленного производства, более 40 млн. тонн ТБО, около 100 млн. тонн осадков сточных вод, сотни миллионов тонн органических отходов сельскохозяйственных производств, а также десятки миллионов тонн строительного мусора.

Уничтожение и переработка таких количеств мусора являются экономически невозможными. Поэтому большая часть всего производимых в мире отходов подлежит захоронению на специализированных полигонах.

Современные полигоны для захоронения отходов являются природоохранными сооружениями, предназначенными для регулярного централизованного сбора, удаления, обезвреживания и хранения неутилизируемых отходов. Они также гарантируют санитарно — эпидемиологическую безопасность населения. На полигонах обеспечивается статическая устойчивость ТБО с учётом динамики уплотнения, минерализации, газовыделения, максимальной нагрузки на единицу площади, возможности последующего рационального использования участка после закрытия полигонов.

Устройство полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов является важнейшим мероприятием по охране окружающей среды и сохранению природных ресурсов.

Нормативные документы, регламентирующие обращение с отходами

В настоящее время основными действующими нормативными актами являются СНиП 2.01.28-85 [1] «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию», СанПиН 2.1.7.1322-03 [4].

СанПиН 2.1.7.1322-03 это санитарно-эпидемиологические правила, которые устанавливают гигиенические требования к размещению, устройству, технологии, режиму эксплуатации и рекультивации мест централизованного использования, обезвреживания и захоронения отходов производства и потребления (объектов).

СНиП 2.01.28-85 это нормы, которые распространяются на проектирование полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов.

Комплекс данных правил является на данный момент является очень устаревшим, так как данные нормативные документы разработаны и введены в эксплуатацию в 2003-м и в 185-м годах соответсвенно. Но, совсем недавно с 17 сентября 2014 г. по 24 февраля 2015 г. Происходило публичное обсуждение, а позже в Росстандарте подписан приказ об утверждении для добровольного применения национального стандарта Российской Федерации ГОСТ Р «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Общие требования к полигонам для захоронения отходов» [7] Срок вступления в действие этого документа – 1 июля 2016 года.

Документ устанавливает требования к проектированию, обустройству, эксплуатации и рекультивации различных полигонов и распространяется на отходы различных классов опасности, предназначенные для захоронения.

Проект стандарта разработан ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации материалов и технологий» и представлен техническим комитетом по стандартизации ТК 349 «Обращение с отходами».

Предпроектная подготовка полигона. Выбор места его размещения

Создание полигона захоронения ТБО, как и любого объекта строительства, осуществляют в непрерывном инвестиционном процессе с момента возникновения замысла до сдачи объекта в эксплуатацию.

В процессе разработки и проектирования полигона, с учётом действующего российского законодательства и зарубежной практики, очень важно учитывать геологические и географические особенности местности на которой будет располагаться полигон:

Выбор перспективных участков для строительства полигонов проводят на стадии составления схем районных планировок и генеральных планов городов и их зелёных зон, схем санитарной очистки населённых пунктов от ТБО. Число и площадь полигонов зависит от численности жителей населённых мест, обслуживаемых полигонами, площади и конфигурации населённых пунктов, дальности транспортировки отходов.

Полигоны размещаются за пределами населённых пунктов с соблюдением размера санитарно-защитной зоны, устанавливаемой, в соответствии со СанПиН 2.1.7.1322-03 [4]:

1. Выбор участка для размещения объектов осуществляется на основании функционального зонирования территории и градостроительных решений.

2. Объекты размещаются за пределами жилой зоны и на обособленных территориях с обеспечением нормативных санитарно-защитных зон в соответствии с требованиями санитарно-эпидемиологических правил и нормативов.

3. Размещение объекта складирования не допускается:

• на территории I, II и III поясов зон санитарной охраны водоисточников и минеральных источников;
• во всех поясах зоны санитарной охраны курортов;
• в зонах массового загородного отдыха населения и на территории лечебно-оздоровительных учреждений;
• рекреационных зонах;
• в местах выклинивания водоносных горизонтов;
• в границах установленных водоохранных зон открытых водоемов.

6. Участок для размещения полигона токсичных отходов должен располагаться на территориях с уровнем залегания подземных вод на глубине более 20-ти метров, и на расстоянии не менее 2-х метров от земель сельскохозяйственного назначения, используемых для выращивания технических культур, не используемых для производства продуктов питания.

7. Не допускается размещение полигонов на заболачиваемых и подтопляемых территориях.

8. Размер участка определяется производительностью, видом и классом опасности отходов, технологией переработки, расчетным сроком эксплуатации на 20 - 25 лет и последующей возможностью использования отходов.

Общая схема полигона

Элементами полигона служат подъездная дорога, участок складирования ТБО, специализированные устройства для обезвреживания отходов и административно-хозяйственная зона.

Подъездная дорога соединяет существующую транспортную магистраль с полигоном и рассчитывается на двухстороннее движение, шириной не менее 6,5 м. На пересечении дороги с участком полигона размещают пост контроля въезда и выезда мусоровозов и административно- хозяйственную зону.

Участок складирования – основное сооружение полигона. Он занимает около 85 – 95% площади полигона ТБО и, как правило, разбивается на очереди эксплуатации с учётом обеспечения производства работ по приёму ТБО в течение 3…5 лет на каждой очереди.

Участки складирования должны быть защищены от вышерасположенных земельных массивов. Для перехвата ливневых и паводковых вод по верхней границе участка проектируются нагорные каналы. На расстоянии от одного до двух метров от нагорных каналов по периметру полигона размещается ограждение. На расстоянии двух метров от них размещаются посадки деревьев. На расстоянии 2…3 м от внешнего откоса котлована устраивают кольцевую дорогу с односторонним движением, шириной не менее 3,5 м.

Между кольцевой дорогой и лесопосадками обустраиваются кавальеры с плодородным и минеральным грунтом, которые в процессе эксплуатации полигона нужны для изоляции отходов.

Организация устройств для обезвреживания токсичных отходов

Многообразие поступающих на полигон токсичных промышленных отходов требует точного знания их состава и свойств для определения условий хранения и метода обезвреживания.

На основании изучения состава отходов и их физико-химических свойств разрабатываются условия их хранения, транспортировки и обезвреживания [4]. При этом обезвреживание должно осуществляться таким образом, чтобы эти отходы превращались в остатки, не содержащие веществ, растворимых в воде и приводящих к загрязнению грунтовых вод при их захоронении.

Наиболее распространенными методами обезвреживания отходов в настоящее время являются сжигание при высоких температурах и физико-химическая обработка в несколько стадий, которая приводит к образованию безвредных, в большинстве случаев нейтральных, не растворимых в воде соединений.

В данном реферате рассматривается только метод сжигания, так как при этом методе большая часть всех токсичных отходов обезвреживается, при этом объем этих отходов может быть доведен до 10 %их первоначального объема.

Установка для сжигания твердых, пастообразных и жидких неутилизируемых токсичных промышленных отходов состоит из:

• системы подачи и дозировки отходов;
• печи с вращающимся барабаном;
• камеры дожигания;
• системы золо-шлакоудаления;
• котла-утилизатора;
• системы очистки дымовых газов.

Система подачи и дозировки отходов

Система подачи и дозировки отходов представляет собой соединяющее звено между площадками, где хранятся отходы, и печью сжигания отходов. Эти устройства должны быть спроектированы таким образом, чтобы различные отходы могли поступать в печь непрерывно и равномерно по количеству и теплотворной способности, чем достигается относительно стабильное сгорание.

• Загрузка печи с вращающимся барабаном твердыми отходами из приемных бункеров осуществляется мостовым краном, оборудованным многочелюстным или двухковшовым грейфером.
• Жидкие отходы транспортируются по трубопроводам к форсункам (горелкам) печи из соответствующих емкостей насосами. В качестве форсунок для сжигания жидких отходов, как правило, применяются форсунки с паровым (воздушным) распыливанием. Жидкие отходы с низкой теплотворной способностью сжигаются в горелках совместно с жидкими отходами, обладающими высокой теплотворной способностью, или с топливом (жидким или газообразным).
• Пастообразные и вязкотекучие отходы с включением твердых частиц из емкостей специальными шнековыми насосами по трубопроводу транспортируются через специальное сопло диаметром до 20 мм непосредственно в печь. Это сопло в большинстве случаев позволяет обходиться без фильтрования отходов перед сжиганием.

Вращающийся барабан печи

Вращающийся барабан печи является основным элементом установки для сжигания твердых, пастообразных и жидких отходов.

Размеры печи следует выбирать таким образом, чтобы даже при пиковых нагрузках, превышающих максимальную мощность установки сжигания, удельная тепловая нагрузка на объем печи и скорость дымовых газов в печи не превышали максимальных значений для обеспечения полного выгорания отходов.

Термически сильно нагруженный выходной конец вращающегося барабана представляет собой охлаждаемое воздухом жаростойкое выходное звено. Со стороны входа и выхода вращающийся барабан оснащается специальными уплотнителями, которые обеспечивают минимальное поступление воздуха, подсасываемого из атмосферы в печь.

Вращающийся барабан оснащается двумя рабочими кольцами из стального литья, которые опираются на ролики, приводится в движение посредством зубчатого обода, редуктора и электродвигателя. На случай отключения электроэнергии должен быть предусмотрен аварийный дизель-генератор.

Камера дожигания

Печь с вращающимся барабаном не обеспечивает полного сгорания компонентов, выделяющихся из органических соединений и имеющих высокую термическую стабильность. Поэтому к печи необходимо присоединить камеру дожигания, в которой при соответствующей подаче воздуха, высоких температурах и продолжительном времени пребывания достигается полное окисление всех органических загрязнений дымовых газов.

Температура горения на выходе из камеры – 900 – 1000°С, при галогенсодержащих отходах – 1200 – 1400°С. Температура дымовых газов на выходе из камеры дожигания поддерживается за счет сжигания топлива (жидкого или газообразного) в горелках или за счет сжигания высококалорийных жидких отходов;

Камера дожигания должна быть сконструирована таким образом, чтобы достичь наиболее полного смешения дымовых газов, поступающих из печи, и дымовых газов, образующихся в камере дожигания при сжигании топлива.

Система мокрого золо-шлакоудаления

Для мокрого удаления золы и шлака из печи с вращающимся барабаном и камеры дожигания необходимо предусматривать, как правило, приспособление, располагаемое поперечно оси вращающегося барабана. Для обеспечения обслуживания камеры дожигания снизу это приспособление должно быть передвижным.

Устройство для мокрого золо-шлакоудаления представляет собой водонепроницаемый корпус, похожий на ванну, облицованный базальтовыми плитами. Зола и шлак транспортируются, как правило, цепным скребковым транспортером, смонтированным в ванне. Уровень жидкости в ванне поддерживается постоянным за счет подпитки воды. Выводятся зола и шлак из барабана печи и камеры дожигания через трубы, погруженные ниже уровня жидкости в ванне не менее чем на 300 мм для образования газонепроницаемого затвора по отношению к атмосфере.

Котел-утилизатор

Для охлаждения выходящих из камеры дожигания дымовых газов, образующихся при сжигании различных отходов, и утилизации физического тепла с целью выработки перегретого водяного пара необходимо предусматривать установку котла-утилизатора. Дымовые газы вызывают сильное загрязнение, эрозию и коррозию поверхностей, поэтому к конструкции котла-утилизатора следует предъявлять особые требования.

Система очистки дымовых газов

Образующиеся при сжигании токсичных промышленных отходов дымовые газы содержат значительное количество различного вида пыли, аэрозолей, хлористого водорода, двуокиси серы, фтористого водорода, тяжелых металлов. Следовательно, дымовые газы перед выбросом их в атмосферу должны быть очищены до такой степени, чтобы их загрязнения не превышали предельно допустимый выброс.

Абсорбцию кислых токсичных газов надлежит выполнять в скрубберах, орошаемых водным раствором солей. За счет добавления щелочных компонентов (как правило, известкового молока)абсорбированные кислые газы нейтрализуются с образованием соответствующих солей. Таким образом, циркулирующая водная фаза содержит сульфаты, сульфиды, хлориды, фториды и карбонаты.

Для обеспечения более надежной очистки дымовых газов от загрязнений необходимо предусматривать санитарную ступень очистки, насадка которой орошается слабым раствором щелочи. Все растворы, образующиеся при очистке дымовых газов, направляются на стадию сушки.

Внутренний дренаж и система удаления фильтрата

Система сбора фильтрата решает его отведение по дну котлована в изолированные водоприёмные ёмкости, расположенные за пределами насыпи отходов (площадки складирования), рассчитанные на периодическую их откачку и вывоз на ближайшие очистные сооружения.

Компонентами системы сбора фильтрата в основании котлованов служат: 1. Рельеф поверхностей котлована;

2. отходы;

3. противофильтрационный экран;

4. трубчатая дренажная сеть с щебёночной обсыпкой;

5. приёмные колодцы.

Исходя из опыта проектирования и эксплуатации полигонов захоронения ТБО, параметры дренажной сети принимаются конструктивно с последующей проверкой их расчётным путём. Дренажная сеть состоит из следующих элементов: 1. Системы дрен, уложенных поверху водонепроницаемого экрана, и обсыпанных гравийно-песчаной смесью по методу обратного фильтра; 2. Дренирующего слоя, выполненного между дренами и по их верху.

Система дрен в котловане устраивается отдельно для каждой очереди эксплуатации полигона первого яруса. Каждая дренажная сеть в котлованах состоит из двух взаимно перпендикулярных коллекторов и входящих в них дрен-собирателей. При этом один из коллекторов соединён с резервуаром накопителем, вынесенным за пределы карт отсыпки.

Коллекторы и дрены выполняются из перфорированных труб. Оптимальное расстояние между дренами принимаются от 50 до 70 м. Дренажные трубы выполняются из полиэтилена высокого давления, устойчивыми к агрессивной среде фильтра и достаточно прочными, чтобы они воспринимали давление выше уложенных отходов и динамическую нагрузку от работающей техники. Использование бетонных труб для устройства дренажа не рекомендуется, так как опыт эксплуатации полигонов показал, что бетон не устойчив в агрессивной среде образующегося фильтрата.

В процессе разработки грунта в котлованах поверхности оснований выполняются наклонными, сходящимися в одной точке с минимальной отметкой в каждом котловане. Уклон принимается не более 0,005. Далее на спланированной поверхности основания устраивается нижний противофильтрационный экран и по его верху укладываются дренажные трубы. Диаметр коллекторных труб принимается равным 150, а дренажных труб – 100 мм. Уклоны дрен и коллекторов принимаются конструктивно в соответствии со спланированным основанием. Монтаж перфорированных труб проводится вручную параллельно с их щебёночной обсыпкой. Для этого можно использовать лёгкий одноковшовый погрузчик. Щебень используется округлой формы, диаметром от 40 до 70 мм.

Дренажные трубы, уложенные по верху противофильтрационного экрана, обсыпаются гравийно-песчаной смесью по методу обратного фильтра. Толщина обсыпки должна быть в два раза больше диаметра трубы. Конструкция дрены приведена на рис.

Далее формируется дренажный слой путём отсыпки крупнозернистого песка между коллекторными и дренажными трубами. По верху дренажного слоя из песка формируется переходный слой. После этого укладываются отходы.

Дренажный слой предназначен для быстрого отведения фильтрата к дренажным трубам. Его поверхность должна быть параллельна спланированной поверхности дна котлована.

Фильтрат, образующийся в свалочном теле, по дренам поступает в коллекторы, один из которых соединён с приёмным колодцем.

Защитные экраны полигонов

Защита горных пород зоны аэрации, подземных и поверхностных вод от загрязнения в период эксплуатации полигона достигается благодаря наличию естественного геохимического барьера или искусственно создаваемому защитному экрану, устраиваемому в основании полигона с дренажной системой сбора и удаления фильтрата, а также системы выполнения послойной изоляции ТБО связным грунтом. После окончания эксплуатации полигона и его закрытия, охрану горных пород зоны аэрации, грунтовых и поверхностных вод, атмосферного воздуха осуществляют устройством верхнего перекрытия (защитного экрана поверхности полигона) в сочетании с защитным экраном и системой сбора и удаления фильтрата в основании полигона.

Защитные экраны основания и поверхности полигона – это конструктивные элементы, обеспечивающие природоохранные функции.

Срок службы защитных экранов определяется как периодом эксплуатации полигона (заполнение полигона до проектной вместимости полигона), что составляет 15…30 лет, так и пассивным периодом, когда полигон закрыт и не принимает отходы. Но в теле полигона после его закрытия и рекультивации активно протекают аэробные и анаэробные процессы разложения органического вещества, сопровождающиеся образованием биогаза и фильтрата, и, следовательно, веществ, представляющих угрозу окружающей среде. Длительность этого периода определяется морфологическим составом отходов, климатическими условиями и другими фак- торами, и, по различным оценкам, этот период колеблется от 30 до 100 лет. Таким образом, срок службы защитных экранов полигонов ТБО должен составлять от 45 до 100 лет. Элементы защитных экранов основания и поверхности полигона находятся в тесном контакте с агрессивной средой – фильтратом и биогазом. Поэтому при подборе материалов для выполнения этих конструкций следует оценивать их устойчивость к агрессивным средам. Для устройства защитных экранов применяются сертифицированные материалы. Противофильтрационный экран в основании полигона совместно с защитным экраном, устраиваемым при перекрытии верха полигона после окончания его эксплуатации, образуют замкнутую систему типа «саркофаг». В роли противофильтрационного экрана могут выступать природные (естественные) геохимические барьеры и искусственные барьеры, выполняемые в виде глиняного замка или экрана, состоящих из геосинтетических материалов.

Эксплуатация полигонов

На полигоне выполняются следующие основные виды работ: прием, складирование и изоляция ТБО.

Организация работ на полигоне должна обеспечивать охрану окружающей среды, максимальную производительность средств механизации и технику безопасности.

Разгрузка машин, доставляющих ТБО

На полигоне организуется бесперебойная разгрузка мусоровозов. Прибывающие на полигон мусоровозы разгружаются у рабочей карты. Площадка разгрузки мусоровозов перед рабочей картой разбивается на два участка.

На одном участке разгружаются мусоровозы, на другом работают бульдозеры или катки-уплотнители. Размещение мусоровозов на площадке разгрузки должно обеспечивать беспрепятственный выезд каждой разгрузившейся машины.

Складирование отходов на рабочей карте

Выгруженные из машин ТБО складируются на рабочей карте. Не допускается беспорядочное складирование ТБО по всей площади полигона, за пределами площадки, отведенной на данные сутки (рабочие карты). Устанавливаются следующие размеры рабочей карты: ширина 5 м (для траншейных карт - 12 м), длина 30-150 м. Бульдозеры сдвигают ТБО на рабочую карту, создавая слои высотой до 0,5 м. За счет 5-10 уплотненных слоев, создается вал с пологим откосом высотой 2 м над уровнем площадки разгрузки мусоровозов. Вал следующей рабочей карты "надвигают" к предыдущему (складированием по методу "надвига"). При этом методе отходы укладывают снизу вверх

Складирование ТБО методом "сталкивания" осуществляется сверху вниз. Высота откоса должна быть не более 2,5 м. При методе "сталкивания" в отличие от метода "надвита" мусоровозный транспорт разгружается на верхней изолированной поверхности рабочей карты, образованной в предыдущий день. Схема укладки отходов методом "сталкивания" приведена на рис. 11. По мере заполнения карт фронт работ движется вперед по уложенным в предыдущие сутки ТБО.

Увлажнение ТБО летом необходимо осуществлять в пожароопасные периоды. Расход воды на полив принимается 10 л на 1 м3 ТБО.

Санитарно-защитная зона и система мониторинга экологической обстановки полигона

Санитарно-защитная зона

Согласно санитарным правилам и нормам «Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов твёрдых бытовых отходов» 34 СанПиН 2.1.7.722-98 санитарная зона принимается – 0,5 км. В санитарно- защитной зоне запрещается размещение жилой застройки, скважин и колодцев для питьевых целей.

Система мониторинга

На полигоне ТБО разрабатывается экомониторинг для осуществления контроля за качественным и количественным составом поступающих на полигон отходов; техническим состоянием инженерных сооружений; за изменением качества поверхностных, подземных вод и атмосферного воз- духа; почвенным и растительным покровом; шумовым загрязнением.

На основании динамики изменения показателей, характеризующих состояние отдельных компонентов природной среды (атмосферного воз- духа, почвы и биосферы, и поверхностных и подземных вод), составляется оперативный или среднесрочный прогноз дальнейшего изменения экологической ситуации как на само́м полигоне, так на прилегающих к нему территориях. Система мониторинга служит информационной основой при определении эффективности проведённых экологических мероприятий, а также базой данных для разработки технических и технологических решений по совершенствованию эксплуатации полигона.

Закрытие полигона и передача участка под дальнейшее использование

Закрытие полигона для приема ТБО осуществляется после отсыпки его на проектную отметку, установленную заданием, на высоконагружаемых полигонах со сроком эксплуатации не менее 5 лет допускается превышение проектной отметки на 10%.

Укрепление наружных откосов полигона должно проводиться с начала эксплуатации полигона по мере увеличения высоты складирования. Материалом для засыпки наружных откосов полигона служит предварительно снятый при его строительстве растительный грунт.

Для защиты от выветривания или смыва грунта с откосов полигона необходимо производить их озеленение непосредственно после укладки изолирующего слоя. По склонам высаживаются защитные насаждения и устраиваются террасы. Выбор видов деревьев и кустарников определяется местными условиями.

На участках, используемых, в последующем под открытые склады тары непищевого назначения, толщина верхнего изолирующего слоя должна составлять не менее 1,5 м. При использовании рекультивированной территории полигона под выращивание сельскохозяйственной продукции, садово-ягодных растений и лесопосадок толщина верхнего изолирующего слоя может быть изменена в зависимости от вида выращиваемых культур растений. Верхний слой отходов до их укрытия изоляцией должен быть тщательно уплотнен до плотности не менее 750 кг/м3.

Заключение

Выбор оптимального метода и технологии обезвреживания и переработки ТБО базируется, в первую очередь, на недопущении негативного воздействия отходов на окружающую среду, ухудшения здоровья человека, обострения социальных аспектов развития общества, повышении экономической эффективности процессов обезвреживания отходов и рационального использования земельных ресурсов.

Захоронение отходов производства и потребления на свалках и полигонах – это наиболее широко практикуемый способ обезвреживания и утилизации ТБО, но, к сожалению, он порождает массу экологических и санитарно-гигиенических проблем. Несмотря на это, захоронение ТБО ещё долгое время будет оставаться наиболее распространённым методом их обезвреживания и утилизации.

Библиографический список

1. СНиП 2.01.28-85 «Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов»
2. Пособие к СНиП 2.01.28-85 «Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов»
3. Обустройство полигона твердых бытовых отходов. / А.С. Новосёлов, А.В. Белый, Вологда, ВоГТУ, 2013.
4. СанПиН 2.1.7.1322-03.
5. Вячеслав Девяткин. Управление отходами в России: пора использовать отечественный и зарубежный опыт. Отечественные записки, 2007, №2(35).
6. ФГУ НИЦПУРО
7. Росстандарт
8. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов / Москва, МСРФ, 1998.