Защита грунтовых вод от загрязнения инфильтратом свалок в Калининградской области

Актуальность исследований. Серьезной экологической проблемой Калининградской области является загрязнение транзитных поверхностных и грунтовых вод и инфильтрата на свалках твердых бытовых отходов (ТБО). По состоянию на 01.11.2006 г. по разрешению министерства ЖКХ и строительства в области используется 43 свалки, санкционировано муниципальными образованиями 37 свалок, закрыто, но используется несанкционированно 21 свалка, закрыто — 64 свалки (за период с 2003 г. по 2006 г.). Практически все свалки не отвечают современным природоохранным требованиям по эксплуатации, содержанию и мониторингу окружающей среды. Значительная часть из них расположена на берегах заливов и рек (в районе городов Балтийск, Калининград, Мамоново, Гусев, Черня-ховск), на городских землях (города Советск, Неман). В области нет ни одного действующего полигона по размещению твердых бытовых отходов, оборудованного в соответствии с современными экологическими требованиями по охране природной среды.

В работе к разряду свалок отнесены все объекты области, имеющие закрепленное за ними название «полигон твердых бытовых отходов», но не соответствующие современным требованиям по охране окружающей среды. В этой связи разработка способов биологической очистки вод фильтрата на свалках Калининградской области и защиты транзитных поверхностных и грунтовых вод от загрязнения, что будет способствовать улучшению экологической обстановки в регионе, является актуальной.

Цель исследований — разработка способов предотвращения загрязнения транзитных поверхностных и грунтовых вод и биологической очистки фильтрата на свалках ТБО, предназначенных для проектирования природоохранных мероприятий.

Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:

— выполнить анализ современного состояния и перспектив развития мероприятий, направленных на защиту поверхностных и грунтовых вод от загрязнения и биологическую очистку фильтрата на свалках ТБО;

— определить фильтрационные свойства сапропелей — озерных донных отложений и возможность их использования для создания водозащитных завес и экранов;

— установить закономерности движения грунтовых вод в окрестности контурной противофильтрационной завесы и при нагнетании фильтрата в грунтовый массив и определить возможность использования этих закономерностей для назначения природоохранных мероприятий;

— выполнить оценку влияния свалок ТБО на окружающую природную среду методами биотестирования;

— разработать способы защиты поверхностных и грунтовых вод на свалках ТБО при биологической очистке фильтрата.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

1. Определен коэффициент фильтрации донных отложений озера Верхнее и смесей их с песком, установлена зависимость коэффициента фильтрации смесей от процентного соотношения донных отложений и песка.

2. Разработана методика расчета уклонов свободной поверхности грунтовых вод, их скоростей и расходов в окрестности возводимой по контуру свалки ТБО противофильтрационной завесы.

3. Обоснована возможность биологической очистки фильтрата свалок ТБО на биологических прудах и полях фильтрации.

4. Установлена возможность определения загрязнения природной среды в окрестности свалок ТБО методами биотестирования.

5. Предложены меры по отводу транзитных поверхностных и грунтовых вод, локализации и сбору фильтрата на свалках ТБО.

Новизна исследований подтверждается двумя патентами на изобретения и патентом на полезную модель.

Практическое значение результатов исследований. Внедрение положений, расчетных методик и предложенных технологических схем:

— позволяет обоснованно решать вопросы выбора биологических и технических мероприятий по очистке фильтрата и защите транзитных вод от загрязнения;

— обеспечивает улучшение экологической обстановки в регионе.

Реализация результатов исследований. «Заключение по вопросу рекультивации отработанной части полигона ТБО (городской свалки ТБО) г. Краснознаменска» передано МУЛ ЖКХ г. Краснознаменска для внедрения рекомендаций по рекультивации первой очереди свалки. Стенд для моделирования фильтрации в пористой среде используется при проведении исследований и практических занятий по дисциплинам: «Улучшение качества природных и очистка сточных вод», «Эксплуатация мелиоративных систем», «Гидротехнические сооружения комплексного и отраслевого назначения» в ФГОУ ВПО «КГТУ».

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Донные отложения, получаемые при экологическом восстановлении водоемов, имеют фильтрационные свойства, сопоставимые с глинами и их можно использовать в качестве изолирующего материала для возведения контурных противофильтрационных завес и экранов.

2. Технологическая схема очистки фильтрата свалок ТБО на биологических прудах и полях фильтрации с использованием биофильтров на природных грунтах, сапрофитных бактерий активного ила, комплекса микроводорослей и высшей растительности с формированием пищевых цепей.

3. Мероприятия по предотвращению загрязнения транзитных вод в районе свалок ТБО, базирующиеся на установленных закономерностях движения грунтовых вод в окрестности противофильтрационной завесы.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: предоставленным объемом экспериментальных и аналитических исследований, выполненных по апробированным методикам определения коэффициента фильтрации, решения фильтрационных задач методом потенциального движения жидкости, биоиндикации окружающей среды по стабильности развития древесных растений, в частности флуктуирующей асимметрии листовой пластины.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на международных научных конференциях: «Инновации в науке и образовании -2006», «Инновации в науке и образовании — 2007», «Инновации в науке и образовании — 2008», «Инновации в науке и образовании — 2009» (г. Калининград, 2006 — 2009 г. г.), на XXV Межвузовской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава «Проблемы и перспективы совершенствования охраны государственной границы и безопасности объектов» (г. Калининград, ФГОУ ВПО «КПИ ФСБ России», 2009 г).

Публикации. Основные научные результаты исследований по теме диссертации изложены в 23 печатных работах, включающих 5 публикаций в изданиях, утвержденных ВАК РФ, в том числе 2 патента на изобретения и 1 патент на полезную модель.

Личный вклад автора состоит в формировании цели и задач исследований, обоснований путей их реализации, получении и интерпретации результатов исследований, разработке биологических мер очистки фильтрата, защиты транзитных поверхностных и грунтовых вод от загрязнения.

Структура и объем, работы. Диссертационная работа изложена на 132 страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных литературных источников из 103 наименований, содержит 37 рисунков, 9 таблиц и приложения.

3.4 Результаты исследования движения грунтовых вод в окрестности контурной противофильтрационной завесы.

Одним из мероприятий по охране грунтовых вод от загрязнения в местах расположения свалок твердых бытовых отходов является возведение в грунте контурной противофильтрационной завесы. Такого рода сооружения широко используются для зашиты от проникновения фунтовых вод в строительные котлованы, а также в открытые горные выработки и мульды сдвижения при подземной разработке месторождений полезных ископаемых [56, 66]. Практика показывает высокую эффективность их применения.

Определенный интерес при этом представляет оценка возмущающего воздействия контурной противофильтрационной завесы на движение грунтовых вод в ее окрестности.

Ниже приводятся результаты исследования движения грунтовых вод вблизи контурной противофильтрационной завесы, выполненной на полную высоту водоносного слоя в форме кольцевой цилиндрической поверхности.

Фильтрационная задача решалась аналитическим методом, основанным на общей теории потенциального движения жидкости. Рассматривалось русло потока грунтовой воды на водоупорном слое, в котором формируется фильтрационный безнапорный поток со свободной поверхностью, в каждой точке которого давление равно атмосферному. Грунтовым массивом является песок, супесь или суглинок, движение воды в которых является ламинарным [54]. Высота водоносного слоя и глубина грунтового потока приняты постоянными, а движение — равномерным, т. е. линии равных напоров невозмущенного завесой потока параллельны друг другу и удалены между собой на равные расстояния.

Для расчета фильтрационный поток в окрестности контурной противофильтрационной завесы заменен условным потоком, который имеет внешние границы такие же, как и у действительного потока [54]. Живые сечения в такой модели грунтового потока представляются цилиндрическими поверхностями с вертикальными образующими.

Принятая модель аналогична модели «планового потока» Н. М. Вернадского [54] для открытых русел и имеет следующие особенности:

— цилиндрические поверхности, которые проводятся ортогонально к принятым в модели живым сечениям, являются поверхностями тока;

— принятые живые сечения модельного потока и указанные выше поверхности тока в проекции на горизонтальную плоскость или на плоскость, наклоненную под углом, соответствующим первоначальному уклону невозмущенного потока, формируют две системы линий произвольной кривизны, образующие на плоскости ортогональную сетку, которую можно считать «гидродинамической сеткой»;

— вертикальные составляющие осредненных скоростей для данной модели равны нулю, а давление вдоль любой вертикальной линии, проведенной внутри модельного потока, распределяется по закону гидростатики;

— векторы горизонтальных скоростей для любой, рассматриваемой внутри потока вертикали, лежат в одной вертикальной плоскости.

Задача сводится к определению функции потенциала скорости ср (х, у) = С и функции тока |/ (х, у) = С, удовлетворяющих граничным условиям. Семейства линий равных значений указанных двух функций образуют ортогональную сетку. На рис. 20 пунктиром показана гидродинамическая сетка, построенная в безразмерной форме для грунтового потока до возведения кольцевой противофильтрационной завесы вокруг свалки твердых бытовых отходов. Границами принятого для построения сетки участка приняты линии тока и линии напоров я, и н2 удаленные от возводимого контура завесы на расстояние равное 1,17 диаметра кольцевой противофильтрационной завесы. Весь участок разбит на 100 равных квадратов.

В результате возведения противофильтрационной завесы при прежних граничных условиях гидродинамическая сетка приобретает вид, показанный на упомянутом выше рисунке сплошными линиями, при этом линии тока огибают контур завесы, а линии равных напоров подходят к контуру завесы ортогонально.

Рис. 20 — Гидродинамическая сетка в районе свалки ТБО.

Разность напоров в рассматриваемых границах равна АН = я, — н2, число фильтрационных полос п принято равным десяти. Тогда величина потерянного напора между двумя соседними линиями составит.

М = АЯ/" = (Я1-Я2)/и (3.4.1).

Используя путь фильтрации Лу, снимаемый с гидродинамической сетки, определяли гидравлический уклон I.

J = Ah/Ay = (AHl-Н2)/Ау (3.4.2).

Для «планового потока» каждая точка его плана характеризуется определенной скоростью 1), которая рассчитывается по формуле Дарси, о = (3.4.3) где Кфкоэффициент фильтрации, м/с, а при постоянной глубине грунтового потока И — и вполне определенным расходом <3.

0 = ки (3.4.4).

Весь поток в плане представляется как векторное поле величин расхода О, которое (при глубине грунтового потока принятого за единицу) является и векторным полем величин скоростей и.

Координаты гидродинамической сетки (начальные — до возведения завесы и новые — после возведения завесы) и уклоны свободной поверхности грунтового потока в точках сетки на рис. 21 и показаны в приложении 2 (табл. П. 2). о.

Рис. 21 — Уклоны свободной поверхности грунтового потока в окрестности завесы.

Полученные данные показывают, что возведение контурной противо-фильтрационной завесы существенно изменяет характер и картину течения грунтовых вод.

Фактические скорости определяются по формуле (3.4.3), а расходыпо формуле (3.4.4), с учетом соответственно, коэффициента фильтрации грунта и его высоты на рассматриваемом конкретном участке.

3.5 Методика расчета параметров движения грунтовых вод в окрестности противофильтрационной завесы.

Результаты исследований, изложенных в п. 3.4 положены в основу методики расчета параметра движения грунтовых вод в окрестности противофильтрационной завесы.

Расчетная схема показана на рис. 22, а безразмерные координаты гидродинамической сетки свободной поверхности возмущенного завесой грунтового потока в табл.8.

Рис. 22 — Расчетная схема с результатами расчета.

Заключение

.

На основе выполненных исследований решена актуальная научная проблема, заключающаяся в разработке способов предотвращения загрязнения транзитных поверхностных и грунтовых вод и биологической очистки фильтрата на свалках твердых бытовых отходов. Важнейшим экологическим аспектом предложенных способов является снижение экологической нагрузки на биоту. Основные результаты работы:

1. Перспективные схемы биологической очистки загрязненных вод (фильтрата) на свалках твердых бытовых отходов в естественных условиях включают предварительную механическую очистку при фильтрации в грунте и биологическую очистку в секциях биопрудов и на полях фильтрации.

2. В секциях биологических прудов происходит деструкция органики фильтрата сапрофитными бактериями активного ила, утилизация биогенной части посредством комплекса водорослей, и обеззараживание за счет формирования пищевых цепей, дальнейшая минерализация выполняется зоопланктоном и высшей водной растительностью.

3. На полях фильтрации оставшаяся часть органики и некоторые продукты жизнедеятельности бактерий подвергаются окислению микроорганизмами с протеканием процессов аммонификации и нитрификации. Для повышения биогенности почвы рекомендуется применение сидерации.

4. Защита транзитных поверхностных и подземных вод от загрязнения обеспечивается на свалках путем их отвода с помощью каналов и противо-фильтрационных завес, возводимых по контуру свалки. Секции биологического пруда следует располагать внутри завесы, а поля фильтрации — за контуром завесы в направлении уклона свободной поверхности грунтового потока.

5. Для возведения контурных противофильтрационных завес и водозащитных экранов на свалках твердых бытовых отходов рекомендуется использовать донные отложения водоемов, получаемые в результате их экологического восстановления. Коэффициенты фильтрации донных отложений в среднем составляют 2,5*1 О*9 м/с, что соответствует этому показателю для глин.

6. Для определения места расположения полей фильтрации разработана методика расчета параметров движения грунтовых вод в окрестности про-тивофильтрационной завесы, основанная на результатах аналитического решения.

7. При нагнетании фильтрата в грунт основания по контуру секции биологического пруда в центральной части секции отмечается зона с пониженными скоростями, где происходит механическое осаждение твердых частиц и анаэробных организмов, в результате чего формируется биофильтр на естественно залегающих грунтах.

8. Разработанная конструкция стенда для моделирования фильтрации жидкости в пористой среде позволяет сократить затраты при проведении научных исследований и может использоваться в учебном процессе.

9. Показана принципиальная возможность использования популяций березы повислой или бородавчатой (Betula pendula Roth), дуба обыкновенного черешчатого (Quercus robur L.), ольхи (Alnus glutinosa (L.) Gaertn.) для проведения оценки загрязнения окружающей среды в районах расположения свалок твердых бытовых отходов.