Экологическая оценка и проектирование полигонов захоронения твердых бытовых отходов

Число в различной степени рекультивированных свалок в Москве -111. Кроме того, по данным [1,7,9] на 1997 год в Москве имелось еще 27 несанкционированных свалок. В Московской области расположено 230 только крупных свалок площадью более 5 га. Число более мелких - неизвестно, но каждый москвич видит такие свалки в оврагах, у железных дорог, на пустырях. Их. вероятно, тысячи.

В 1997 году Москва торжественно отметила свое 850-летие. Город может так же отмечать и те же 850 лет существования московских свалок. В деревнях мусора, требующего захоронения, не было. Все, что могло гореть шло в печку, остальное - в компостную яму. Как только поселение становится городом, сразу же возникает проблема мусора и свалок. Москва, как и все старые города Европы, стоит на собственном мусоре [5,6,8]. Археологи называют его культурным слоем, но вернее называть его «некультурным», т.к. это городские твердые отходы.

Существует закономерная зависимость количества твердых бытовых отходов на душу населения от крупности городского поселения. Например, в г. Бронницы Московской области (13 тысяч) на каждого жителя в день приходится около 100 г твердых отходов, в Воскресенске (75 тысяч) уже 300 г, а в десятимиллионной Москве - около 1 килограмма.

Современная политика коммунальных служб российских городов по отношению к мусору не отличается оригинальностью. Используются отработанные карьеры, овраги и иные отрицательные формы рельефа как можно ближе к городу, чтобы далеко не везти мусор. Полигоны, спецавтохозяйства, мусороперегрузочные станции - самостоятельные, как правило, государственные предприятия. Администрации подчас рассматривают их как планово-убыточные со всеми вытекающими последствиями для финансирования экологических мероприятий на этих объектах. Огромное количество полигонов лишено экологической и геологической документации, нет представления о воздействии объектов на компоненты окружающей среды.

Чем глубже карьер, тем считается лучше, поскольку емкость его больше. А то, что мы собственную грязь размещаем при этом как можно ближе к чистым грунтовым водам, - не принимается во внимание. Результат такой политики налицо. Рассмотрим только восточное направление вывоза мусора. В 60-е годы заполнили мусором два больших карьера глин в Косино (1 км восточнее МКАД) и скоро на этих свалках построили район Ново-Косино. Открыли Кучинскую свалку в карьере кирпичных суглинков у деревни Фенино (16 км от МКАД), заполнили 18 метров глубины карьера доверху, сделали паузу 5 лет и сейчас продолжают ее эксплуатировать уже как высоконагружаемую. Открыли Тимоховскую свалку (55 км) в карьере по добыче кудиновских глин, - самую большую в мире. Здесь сваливают мусор прямо в воду, заполняющую карьер, вскрывший артезианский горизонт. Скоро эта свалка заполнится, но уже определен землеотвод на стыке Орехово-Зуевского, Егорьевского и Воскресенского районов - отработанные песчаные и фосфоритные карьеры в Берендино (90 км). Что делать дальше? Возить московский мусор во Владимирскую область? Так там и своего хватает.

Неравномерность расселения, существенная разница в геоэкологических условиях и изменяющиеся условия экономики определяют необходимость проектирования ПЗТБО различных калибров: крупных и мелких. При этом и те и другие должны быть с экранами, действительно санитарными полигонами, а не свалками. Представляется, что экономическая эффективность различных по мощности полигонов будет существенно разной (чем крупнее, тем она выше).

Таким образом, основное условие современного управления отходами является условие системности и комплексности. Исходя из этого возможно рассмотрение двух схем. Первая - «государственная». Строительство комплексов по управлению отходами под управлением администраций районов.

В этой связи возможно создание производственных объединений, в которых затраты на строительство и содержание мелких полигонов будут компенсироваться за счет крупных. На наш взгляд, такой подход, несмотря на его рациональность по отношению к существующему, не будет характеризоваться эффективной отдачей вложенных средств. В первую очередь из-за существующих повсеместно региональных особенностей (большие плечи подвоза от отдаленных мелких поселений, развития дачных хозяйств и т.п.).

Вторая - «коммерческая». Строительство комплексов по управлению отходами исключительно исходя из требований оптимизации системы при условии полной собираемости мусора. Представляется, что такой подход, будучи максимально эффективным (рациональное вложение средств), станет и максимально экологичным. Проектирование современных полигонов - дело необычное, поскольку должны быть обоснованы не только собственно инженерные сооружения, но и разветвленная система управления отходами. [2,3,9] Можно предложить для крупных систем следующую структуру:

• подсистема первичной сепарации мусора (пользователи - жильцы, пакетирование и многоконтейнерные сборочные площадки во дворах),
• подсистема вторичной сепарации (сортировочные площадки и прессование),
• промпредприятие по переработке мусора (ППМ) с цехами: извлечения пластиков, извлечения металлов, извлечения каменных стройматериалов, пиролизной переработки органики, компостирования, захоронения золы и шлака, демеркуризации, плазменного уничтожения медицинских и особо опасных отходов, управление полигоном.
• подсистема транспортировки на мусороперегрузочные станции и на полигоны.
• подсистема сбыта (газ. полимеры, металлы, стройматериалы и др.)

Мелкие ПЗТБО могут ограничиваться подсистемами первичной сепарации, сблокированной перегрузочной площадкой с полигоном и газовой установкой, что не исключает интеграцию их в общую систему управления отходами.

Центральным элементом в этой системе является Полигон. Именно к его организации применяются наиболее жесткие экологические требования, именно его сооружения требуют наибольших капитальных затрат. Следовательно, при реализации любой схемы управления отходами весьма важным представляется оценка необходимости и достаточности состава и объема инженерно-экологических мероприятий.

К таковым относятся:

• выбор территории под полигон;
• экологическое сопровождение проектирования;
• производственный и экологический мониторинг:
• рекультивация объекта.

Не претендуя на составление рецептов для всех полигонов, остановимся на наиболее характерных особенностях этих мероприятий.

Основные принципы оценки территорий для целей сооружения полигонов захоронения твердых бытовых отходов представляются следующими:

1. Надежная литологическая и гидродинамическая защищенность подземных вод от опасного воздействия свалочного фильтрата.
2. Защищенность поверхностного стока от воздействия свалки.
3. Отсутствие плодородных почв, особо охраняемых природных территорий, водоохранных зон и т.п. в ближайшем окружении ПЗТБО.
4. Возможность организовать и соблюдать границы и режим санитарно-защитной зоны 3000 м.
5. Близость к источникам отходов (короткое плечо подвоза).
6. Отсутствие месторождений полезных ископаемых.

Несоблюдение этих принципов влечет за собой резкое удорожание строительства и более высокие требования к качеству мониторинга.

Современные представления об экологических и инженерных принципах сооружения ПЗТБО базируются на представлении о том, что полигон должен быть надежно изолирован от окружающей среды, в первую очередь, - геологической, а также может служить источником дешевого топлива - биогаза. В связи с этим проекты полигонов должны включать в себя обоснование следующих проектных предложений:

1. Обязательное применение надежных противофильтрационных экранов, выполняемых из искусственных (геомембраны, полимерные рулонные материалы) или естественных материалов (глины, тяжелые суглинки). Относительно последних следует заметить, что эти грунты способны существенно (на 2 порядка, в 100 раз) увеличивать свою проницаемость под воздействием минерализованного (до 20 г/л) фильтрата свалки. Только тщательные инженерно-геологические и гидрогеологические исследования смогут оценить пригодность грунта для использования в качестве экрана.
2. Оснащение ПЗТБО системой газоотбора, финального перекрытия газонепроницаемыми материалами, системой сбора фильтрата и использования его для подавления саморазогрева и возгорания свалки, организация системы, проектирование и строительство малой энергетической установки, работающей на биогазе.
3. Заполнение полигона посекционно, для чего предусматривается разделение его на отсеки непроницаемыми стенками.
4. Проектирование и создание экомониторинга, как системы наблюдения и контроля процессов возможного загрязнения компонентов окружающей среды.
5. Создание целостной и развитой структуры управления отходами по области и по населенным пунктам, которая бы включала первичную сепарацию мусора, перегрузочные площадки, уплотнение и прессование мусора, обезвреживание особо опасных отходов, вторичную сепарацию.

Проект полигона должен обосновываться как с инженерных, так и с экологических позиций. В его составе разрабатывается том раздела ОВОС (оценка воздействия на окружающую среду) и/или (в зависимости от стадийности проектирования) том ООС (охрана окружающей среды) которые представляются на Государственную экологическую экспертизу.

Каждая свалка - своеобразная экосистема со своими социоэкологическими, биоэкологическими, биохимическими и геоэкологическими особенностями и процессами переноса энергии и вещества.

Социоэкологические особенности выражаются в своеобразном населении свалок. Причем, это не только деклассированные люди, многие мастера приезжают на свалку как на место прибыльной работы. Здесь разбирают выброшенную, но содержащую еще пригодные к эксплуатации детали электронной аппаратуры (компьютеры, телевизоры и т.п.), выпаивают из них благородные металлы, собирают металлолом, стекло и прочее. Вторая особенность - повышенный криминогенный фон в окрестностях крупных свалок. У жителей близлежащих деревень и поселков, чьи дома, дворы и кладбища при ветре заносятся пленкой, бумагой и прочим сором, чьи огороды каждую весну заливает смрадный и убийственный для растений свалочный фильтрат, обостряется чувство обиды и социальная напряженность часто выражается именно в противоправных действиях.

Биоэкологические особенности заключаются в развитии своеобразных сообществ флоры и фауны. Вполне ожидаемые сообщества рудеральной растительности: полынь, мать-и-мачеха, репейник и подобные на периферии свалок сменяются зарослями топинамбура (земляной груши). Это последнее растение - интродуцент, привезенный в Россию Н. И. Вавиловым, прекрасно осваивает наиболее загрязненные земли и накапливает в своих клубнях тяжелые металлы. Это свойство можно попытаться использовать при реабилитации загрязненных почв. Точно так же можно ожидать на свалках и в их окрестностях значительные популяции крыс, одичавших собак и кошек, ворон. Но на некоторых свалках, расположенных недалеко от водоемов, главными пернатыми мусорщиками стали чайки. Эти сильные и агрессивные птицы попросту вытеснили ворон и более мелких птиц.

Геоэкологические и биохимические особенности проявляются в характере двух основных биогеохимических реакций разложения органики. Органика растительного происхождения разлагается по реакции брожения, конечными продуктами которой являются вода, тепло и углекислый газ. Органические вещества животного происхождения разлагаются по механизму гниения, в результате чего получаются: вода, тепло и метан. Свалка, таким образом, сама себя разогревает, насыщает жидкостью и газирует. На свалках довольно часты возгорания и тогда едкий жирный дым, насыщенный суперэкотоксикантами: диоксинами и фуранами накрывает близко и далеко расположенные населенные пункты. Пожар на свалке - серьезное чрезвычайное происшествие, чреватое массовыми отравлениями.

Геоэкологические особенности состоят так же в загрязнении подземных вод (подчас используемых для местного водоснабжения), а также связаны с переносом загрязнения по рельефу. Зоны заражения могут достигать километров по потоку подземных вод и сотен метров по площади вокруг полигонов, превосходя установленные СЗЗ. С потоком подземных вод загрязнение мигрирует в открытые водоемы, реки, причем далеко не всегда естественное разбавление в них может свести к минимуму такое влияние на биоту.

Наиболее опасным и коварным компонентом свалки является фильтрат. Это - тяжелая, маслянистая, бурая, дурно пахнущая жидкость, обладающая высокой проникающей способностью. Фильтрат формируется в первый год заполнения свалки и существует в ней постоянно. Наибольшее его количество приходится на весну. В этот сезон фильтрат выступает из ложа свалки и распространяется не только по потоку подземных вод, но и поверхностным стоком. При этом он попадает в ручьи и реки, заражает огороды, разливается по близлежащим селам.

Для примера приведем состав фильтрата Кучинской свалки под Москвой (анализ гидрохимической лаборатории Геологического факультета МГУ).

Состав фильтрата Кучинской свалки

компонент	мг/л	компонент	мг/л
Гидрокарбонаты	12200	никель	20
Хлориды	3245	кобальт	менее 20
Сульфаты	160	медь	25
Нитраты	0,15	хром	300
Кальций	96	свинец	менее 10
Магний	165	кадмий	менее 5
Окисляемость	1360	цинк	140
Фосфаты	1,5	СУХОЙ ОСТАТОК 15867 мг/л
Калий (K2O)	1950
Натрий (Na2O)	200
Железо	235
Марганец	25

Общая минерализация (расчетная) 18,3 г/л

Для сравнения. Океаническая вода имеет минерализацию 35 г/л, пресная - до 1 г/л.

Обращает на себя внимание повышенные концентрации гидрокарбонат-иона, что трудно объяснимо, если не учитывать, что вместе с ним титруются все слабые органические кислоты: молочная, пировиноградная, яблочная и др. Эти кислоты являются непременными компонентами фильтрата как промежуточные продукты разложения органики, попавшей на свалку.

Здесь же приведем и разрез Кучинской свалки из статьи [10] с показом элементов водного баланса.

В России и за рубежом уже имеются примеры более рационального управления бытовыми отходами. Можно строить мусороперерабатывающие заводы, не дающие токсичных выбросов в атмосферу, работают установки плазменного сжигания медицинских отходов; вместо свалок за рубежом (США, Швеция и др.) спроектированы полигоны (landfills), изолированные от внешней среды полимерными пленками и представляющие собой безопасные биореакторы производящие газ. Этот газ собирается и используется в энергетике.

Полигон захоронения отходов должен иметь контролирующую систему - экомониторинг. Это - система наблюдения и контроля процессов взаимодействия природных компонентов (воздуха, воды. почв, флоры, фауны и человека) между собой и с инженерными сооружениями для целей прогноза последствий и обоснования управляющих решений. Инженерными сооружениями в данном случае могут быть не только свалка, но и другие источники загрязнения, что важно зафиксировать системой мониторинга, поскольку во всем мире действует принцип «загрязнитель платит». Разграничение ответственности в данном случае определяет заинтересованность владельца свалки в наличии оптимизированного мониторинга.

Система мониторинга окружающей среды должна включать в себя три подсистемы:

• подсистема съема первичной информации о характеристиках процессов взаимодействия полигона с компонентами окружающей среды и эффективности технологических циклов;
• подсистема коммуникаций для передачи информации в управляющий центр;
• управляющий центр мониторинга.

Две последние подсистемы будут проектироваться на последующих стадиях, а первая нуждается в быстрейшем вводе в действие для того, чтобы получить целостную картину состояния всех компонентов окружающей среды (экосистемы) до начала строительства. Целесообразно начать мониторинг (пусть и в усеченном виде) непосредственно после проведения инженерно-экологических изысканий, еще на стадии проектирования для принятия грамотных инженерных решений.

Представляется целесообразным разделить предложения по составу и конструкции мониторинга на части в соответствии с компонентами экосистемы, в которую вписывается данное инженерное сооружение - полигон захоронения отходов.

Атмосферный воздух

Для получения интегральных характеристик загрязненности воздуха целесообразно применить биоиндикационный метод - лихенометрию. Этот метод основан на свойстве сообществ лишайников, селящихся на коре деревьев, камнях и прочих субстратах, существенно менять два легко измеряемых параметра - площадь проективного покрытия субстрата и видовое разнообразие. Проводя измерения ежеквартально, можно отслеживать реакцию живых организмов на загрязнение воздуха полигоном. Для измерений выбираются два направления, по длинной и короткой оси местной розы ветров. На каждом направлении (трансекте) выбираются и помечаются 3-4 площадки для постоянных измерений. На площадках должны иметься деревья одной породы, одного возраста и близких размеров. На коре этих деревьев, на одинаковой высоте и на сторонах, обращенных к полигону помечают участок площадью 1 дм² , на котором и проводят ежеквартальные измерения. Всего на площадке таким образом обследуются 10 деревьев. Разовые измерения занимают один день. Для заверки биоиндикационного метода целесообразно ввести в мониторинг аналитические определения основных загрязняющих компонентов - два раза в год и экспертную оценку загрязненности воздуха органолептическим обследованием и ведением журнала наблюдений за пылением, газогенерацией и возгораниями.

Поверхностные воды

Предлагается учредить на ручьях, реках и болотах, близких к свалке, гидрометрические и гидрохимические посты, расположив их в предварительно обоснованных местах. Наблюдения должны включать измерения расхода водотока (половодного и меженного), отбор проб воды и определение в них компонентов-загрязнителей химического состава: хлор-иона, сульфатов, жесткости, азотсодержащих ионов, фенолов и нефтепродуктов. Измерение температуры и электропроводности воды так же необходимы. Аналитические определения целесообразно сочетать с биоиндикационными. Здесь наиболее информативным представляется альгометрический метод, состоящий в отборе проб водорослей - обрастателей (перифитона) с определением двух параметров пробы: биомассы и видового разнообразия. Эти измерения следует повторять ежеквартально, т.е. 4 раза в год. Измерения и обработка материала занимает один день.

Подземные воды

Чем меньше глубина залегания грунтовых вод на площадке, тем более вероятно проникновение в них загрязнений со свалки. Кроме того, возможно сезонное проявление верховодки. Следует хорошо знать характеристики подстилающих свалку пород, их проницаемость и емкость. Водоносные породы опробуются откачками, лабораторными методами, при этом особое внимание уделяется прослоям глин. Изучается поток грунтовых вод, его параметры и элементы. Прогноз продвижения загрязнений в потоке дается по уравнению Дарси для действительной скорости:

V = К I / n, где

К - коэффициент фильтрации, м/сут (параметр проницаемости),

V - действительная скорость движения потока, м/сут., п - пористость.

I - напорный градиент потока или уклон его свободной поверхности.

Расчет по этой схеме «поршневого вытеснения» является наиболее жестким прогнозом, что и требуется для экологического обоснования проекта свалки (ПЗТБО).

Загрязнение подземных вод фильтратом с полигона может быть зафиксировано сравнительно легко по росту минерализации, концентрациям хлора, сульфатов, нитратов, БПК, снижению содержания растворенного кислорода и другим показателям. Исходя из фильтрационных характеристик, предлагается для мониторинга пробурить 4-5 неглубоких (до 15 м) наблюдательных скважин по лентам тока, отходящим от полигона, оборудовать их фильтрами и оголовками, предохраняющими от вандализма и вести наблюдения за уровнем грунтовых вод, температурой, электропроводностью воды, а также регулярно (раз в квартал) отбирать пробу воды, в которой определять 6 макрокомпонентов состава, азотсодержащие ионы, железо, фенолы, БПК, кислород, pH и нефтепродукты. Целесообразно использовать одноразовые пробоотборники (пластиковые бейлеры). Район расположения скважин так же предварительно обосновывается. Места бурения уточняются после проведения инженерно-экологических изысканий.

Почвы

Слой почвы из-под ванны полигона и с площади строительных котлованов и из-под дорог обычно снимается и после окончания строительства используется для рекультивации и благоустройства. Наибольшему негативному воздействию почвы могут подвергнуться в полосах вдоль и ниже подъездных дорог (загрязнение, заболачивание), вследствие поверхностного водного переноса и вдоль длинной оси розы ветров вследствие ветрового переноса. Наиболее опасными загрязняющими веществами для почв могут являться хлориды натрия, тяжелые металлы и нефтепродукты. Все эти вещества имеются на полигоне. Мониторинг почв предлагается обустроить в виде почвенных площадок по сторонам полигона на расстояниях от 50 до 100 м от его границ. Размер площадок 15x15 м. На каждой площадке помечаются места отбора почвенных проб, берущихся из почв или лесной подстилки и из интервалов глубин 0 - 15 см и 15-40 см. Частота отбора - ежегодно, в начале лета (после схода снега и оттаивания почвы). В почвенных вытяжках определяются все вышеперечисленные компоненты-загрязнители.

Растительность

Площадка строительства и размещения полигона освобождается от древесной и кустарниковой растительности. Поверхности, лишенные естественного почвенного покрова зарастут рудеральной растительностью. Засыпаемые секции заполненного полигона засеиваются многолетними травами и постепенно зарастают кустарником, березой, другими характерными для данной местности породами. Состояние растительности контролируется обследованием (таксацией), проводимой раз в 5 лет и документируемой в экологическом паспорте предприятия (ПЗТБО). Начальник полигона предпринимает необходимые и достаточные меры, препятствующие сбору дикорастущих ягод, грибов, трав и пр. на территории площадки полигона.

Животные

Площадка, отведенная под полигон огораживается проволочным забором, что исключает проникновение на нее крупных животных. Следует принять меры против распространения на полигоне одичавших домашних животных (собак, кошек), а также против крыс, чаек, ворон,- животных способствующих расширению области негативного воздействия полигона. Все меры санитарной обработки полигона и его окрестностей фиксируются в экологическом паспорте.

Человек

Специального мониторинга показателей здоровья населения учреждать обычно нет необходимости, поскольку до ближайшего населенного пункта далеко и соблюдается санитарно-защитная зона. Скорее следует отмечать положительное воздействие полигона в санитарной очистке населенных мест и улучшения в связи с этим качества жизни.

К системе мониторинга (подсистеме съема информации) целесообразно подключить еще подсистему производственного мониторинга самого полигона, в которой необходимо прослеживать поступление массы складируемых отходов и места их расположения, тепловой, газовый и влажностный режимы толщи отходов, а также их радиоактивность и токсичность.

При этом основная часть мониторинга исполняется силами пользователя объекта, а за государственными службами сохраняется общий контроль.

Рекультивация полигона является обязательным мероприятием. Особенностью его в современных условиях может являться необходимость интеграции рекультивированной территории в сложившейся ландшафт.

М.С. Орлов Геологический ф-т МГУ
С.М. Орлов Центр Практической Геоэкологии

Литература

1. Государственные доклады о состоянии окружающей природной среды г. Москвы за 1992, 94 и дальнейшие годы. Изд. Москомприроды, 1993.95,97 и последующие.
2. Инженерная защита окружающей среды, (под ред. О.Г.Воробьева). Изд. Лань, СПб.2002. 288 стр.
3. Беренгартен М.Г., Васильева И.А., Девяткин В.В. Управление отходами в городском хозяйстве. М.. МГУИЭ, 1999 г.
4. Инструкция по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям в г. Москве. Москомархитектура. 2004 г. 106 стр.
5. Орлов М.С. Гидрогеоэкология Москвы. Бюлл. МОИП. сер. Геол. № 5. 1997 г.
6. Орлов М.С. Геоэкологическое обоснование строительства (учебное пособие) ГАСИС, 2004 г, 56 стр.
7. Орлов М.С., Толстихин Д.О., Орлов С.М. и др. Экологическое проектирование //В сб.:Проблемы гидрогеологии XXI века//. Изд. РУДН, 2003 г. с. 341 - 353
8. Пашковский И.С. Гидрогеологические проблемы в городе. Там же. с.353 - 365
9. Пуртова Е.Е., Смирнова Е.В. Проблема твердых бытовых отходов. М.. Международный университет, 2000 г. 56 стр.
10. Орлов М.С.. Кузнецов М.М. Загрязнение природных вод коммунальной свалкой. Вестник МГУ. сер. Геол. № 5 , 1988. с. 43 - 48