Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 3, стр. 3-15

Общие требования к размещению отходов

Размещение отходов является ответственейшей процедурой обращения с ними, определяющей условия накопления, переработки и дальнейшего их захоронения в геологической среде. По своему содержанию требования к размещению отходов могут быть разнообразными, начиная от санитарно-эпидемических, социальных, хозяйственно-управленческих и заканчивая природно-климатическими.

Государственное регулирование всех перечисленных требований представляется достаточно сложной проблемой. Считается, что ответственность за размещение отходов и выдачу разрешения на открытие полигонов возлагается на органы исполнительной власти, уполномоченные осуществлять федеральный государственный эпидемиологический контроль. Другие организации, например, экологической экспертизы, недропользования и т.д. не принимают участия в принятии этих решений.

Важными государственными документами, призванными регулировать размещение отходов, являются территориальные схемы обращения ТКО, функции эксперта которых призвана осуществлять публично-правовая компания “Российский экологический оператор”. В постановлении Правительства РФ №430 от 22 сентября 2018 г. “О разработке, общественном обсуждении, корректировке территориальных схем в области обращения с отходами производства и потребления, в том числе с твердыми коммунальными отходами, а также о требованиях к составу и содержанию таких схем” указывается в основном на необходимость сбора информации о накоплении отходов, их количестве, наличии объектов переработки и утилизации и т.д. Наряду с этим, отсутствуют требования к сведениям о геологии, геоморфологии, гидрогеологии, охраняемых природных территориях, природно-климатических и других природных особенностях т.д. Таким образом, содержащаяся в конечном документе информация о степени загруженности территории отходами и объектами обращения с ними не отражается самое главное – механизм определения мест размещения полигонов. Основной причиной этого положения является то, что территориальная привязка объектов размещения ТКО носит чисто топографический характер и не связана с особенностями природных условий, являющимися основными факторами определения риска размещения отходов в земной коре.

Необходимо отметить, что, называя полигоны “площадками”, составители схем, видимо, не учитывают того, что полигоны являются объемными, достаточно сложными сооружениями, с часто меняющимися по глубине геологическим строением, гидрогеологическими условиями и другими природными условиями. По сути любой полигон с течением времени становится частью геологической среды (точнее – техносферы) и функционирует по ее природным законам. Таким образом, территориальная схема должна содержать не только топографическую привязку места накопления отходов и объектов обращения с ними, но и характеристику природных условий, обусловливающих расположение полигонов как пространственных тел. Такая характеристика должна, по существу, представлять карту инженерно-геологического районирования территории, с выделением на ней отдельных областей или районов по степени пригодности природных условий для создания полигонов [4, 8, 10].

Инженерно-геологическая карта позволяет существенно повысить практическую ценность территориальных схем. Ее необходимо использовать как территориальную матрицу, на которую накладывается информация, предусмотренная в постановлении Правительства РФ № 1130. Только после создания такой информационной системы должна рассматриваться возможность разработки различных логических схем связи между объектами обращения с ТКО и прогнозируемыми местами расположения полигонов.

В дальнейшем, в пределах благоприятных областей, находятся наиболее перспективные площадки для размещения полигонов ТКО, на которых проводятся инженерные изыскания с целью получения показателей, необходимых для их проектирования. По данным изысканий и анализа существующих планов по социальному и хозяйственному использованию, а также кадастровых ограничений, окончательно решается вопрос, какая площадка в наибольшей мере будет отвечать требованиям создания безопасного полигона. Таким образом, инженерно-геологическое районирование, уже на первых этапах решения вопроса о размещении пунктов захоронения ТКО, позволяет оценивать принципиальную возможность принятия управленческих решений по созданию безопасного полигона с учетом его экологической и экономической эффективности.

В Институте геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН) разработана методика инженерно-геологического районирования применительно к решению упомянутых выше задач. Методика апробирована при проведении районирования Центрального Федерального округа. ИГЭ РАН готов внедрить эту методику и осуществлять ее научное сопровождение при использовании в субъектах Федерации [4].

Геологические условия размещения полигонов

Полигоны размещаются в геологической среде – приповерхностной толще пород, состав и свойства которых являются важнейшими факторами безопасности создаваемых полигонов. В зависимости от геологических условий, полигоны могут быть заглублены частично в геологический массив (полуподземный вариант) или полностью погружены в толщу пород (подземный вариант). В первом случае дно и часть боковых стенок полигона находятся в природном массиве, а сверху перекрываются слоем грунта глинистого состава в сочетании с водонепроницаемыми пленками или другими гидроизолирующими материалами. При создании подземных вариантов дно и борта полигонов оказываются полностью в толще природного массива.

Таким образом, изолирующие свойства полигонов и их безопасность во многом определяются составом и свойствами пород, в которых они находятся. Важнейшими геологическими факторами, определяющими условия создания полигонов, являются: литологический состав пород и их свойства, гидрогеологические условия и развитие опасных природных явлений (землетрясения, наводнения, оползни, карстовые провалы и др.).

Литологический состав пород и их свойства. С литологическим составом пород связаны их изолирующие свойства и способность исполнять роль природных геологических барьеров, препятствующих распространению загрязнения. Основными критериями изолирующих свойств пород являются коэффициент фильтрации (К_ф, м/сут) и удерживающая (поглощающая) способность (мг/г). В зависимости от литологического состава фильтрационные показатели могут существенно меняться (табл. 1).

Наилучшими защитными характеристиками обладают глинистые породы, поровое пространство которых представлено тонкими порами (от долей миллиметра до микронных величин), часто закрытыми и недоступными для фильтрации воды. Кроме того, на поверхности глинистых минералов формируются гидратные пленки адсорбированной воды, обладающие повышенной вязкостью и также препятствующие фильтрации [11]. Пески и, тем более гравий, свободно пропускают фильтрационный поток и практически не создают защитного барьера.

С фильтратом во вмещающие породы поступают различные загрязнители, в том числе токсичные вещества, которые, взаимодействуя с минеральными частицами, удерживаются в породе. Общее содержание загрязнителей, накапливающихся в породе, характеризуется показателем массовой концентрации загрязнителей (мг/кг):

где M_з – масса накопленных загрязнителей всех видов; М_тв – масса минеральной части пород.

Физическая природа механизма удержания загрязнителей может быть различной: механической, физико-химической (адсорбционной), химической [1]. При этом загрязнители могут находиться в виде привнесенных или вновь образующихся (в результате раскристаллизации) твердых включений в порах или формирующих цемент на контактах частиц, скоплений ионов или химических образований, адсорбирующихся на активных поверхностях минералов, гелеобразных органоминеральных комплексов и жидких образований в виде эмульсий.

Помимо осадочных пород для создания полигонов могут быть использованы сцементированные породы такие, как аргиллиты и алевролиты, известняки, доломиты, мел, гипсы, ангидриты. Однако массивы этих пород характеризуются высокой трещинноватостью, содержат неоднородности структуры в результате литогенеза, выветривания и растворения. Поэтому наилучшими изоляционными свойствами обладают галоидные породы, обладающие пластичностью и подвижностью, что позволяет им восстанавливать монолитность при различных внешних воздействиях.

Разложение отходов как физико-химический и микробиологический процесс

В свалочном теле полигона ТКО протекают сложные физико-химические и биохимические процессы, приводящие к разложению отходов. Один из основных компонентов свалочных тел, с которым связаны процессы разложения, – органическое вещество, поступающее с отходами, либо образующееся в процессе их трансформации уже в свалочном теле. Деградация органического вещества свалочного тела проходит по различным механизмам, но основной из них – это микробиальная деградация в аэробных и анаэробных условиях. Биодеградация наиболее полно осуществляется в условиях, пригодных для жизни микроорганизмов (определенный для каждой трофической группы температурный интервал, влажность, рН).

В процессе разложения отходов выделяются четыре этапа.

Первый этап (аэробная фаза) характеризуется расходом кислорода и нитрата. Присутствующие в свежих отходах сахара (углеводы) преобразуются в диоксид углерода и воду, при этом происходит снижение рН от 7.5 в отходах до 6.2 [15]. Органическое вещество на первых этапах складирования отходов подвергается аэробному окислению кислородом, который присутствует в порах свалочного тела, однако его запасы могут быть израсходованы в течение нескольких дней. Прежде всего, органическое вещество подвергается процессу гидролиза. Гидролиз входящих в состав биодеградируемых отходов белков, жиров, и углеводов сопровождается образованием более простых соединений. Обычно аэробная фаза разложения органики длится от года до 10 лет, что определяется условиями складирования отходов и режимом рециркуляции фильтрата [17, 19]. По мере расходования кислорода активность аэробных процессов снижается, в качестве окислителей используются такие соединения, как нитраты, сульфаты, оксиды железа и марганца. В массиве начинают преобладать анаэробные условия, чему способствуют уплотнение и перекрытие отходов новыми слоями.

Второй этап – анаэробная кислая фаза (ацетогенез). Трансформация сахаров, начавшаяся в аэробных условиях, продолжается в анаэробных условиях в фазе ацетогенеза (кислотообразования). Анаэробная кислая фаза характеризуется накоплением карбоновых кислот и дальнейшим снижением рН до 5.7. Размеры микробиальных популяций возрастают при переходе от аэробных условий к анаэробным.

Третий этап – стадия активного метаногенеза – характеризуется снижением содержания карбоновых кислот, сопровождающимся резким ростом скорости образования метана. Потребление кислот микроорганизмами превышает скорость гидролиза отходов. Концентрация сульфата увеличивается до начала заметного образования метана, а затем уменьшается.

Максимальная степень разложения органического вещества достигается на четвертом этапе, когда образование метана замедляется (стадия стабильного метаногенеза). Содержание карбоновых кислот падает до предела обнаружения, рН среды возрастает до значений выше 8. Снижение содержания целлюлозы и медленный гидролиз оставшихся твердых отходов, которые обогащены лигнином, тормозят процесс образования метана. На этой стадии деградация органических веществ идет медленно, ее скорость зависит от условий окружающей среды. После резкого роста на третьем этапе скорости образования метана на четвертом этапе наблюдается ее устойчивое снижение, а также снижение концентрации карбоновых кислот.

Не более 30% органического вещества на полигонах ТКО разлагаются полностью с образованием метана. Большое количество органического углерода представлено трудно разлагаемыми веществами и надолго остается в теле свалки.

Заключительным пятым этапом является гумификация свалочных отходов. В процессе трансформации в свалке остается твердая фаза, устойчивая к микробиальной деградации.

Этапы ацетогенеза и активного метаногенеза могут продолжаться до 30–40 лет, а при низком содержании влаги (<40%) – до 50 лет. Процесс гумификации твердых бытовых отходов может продолжаться сотни и даже тысячу лет [2, 17].

Образование экологически опасных продуктов при разложении отходов

С экологической точки зрения основными загрязнителями природной среды на территориях размещения свалок и полигонов ТКО являются фильтрат и биогаз.

Газообразные продукты возникают в результате брожения материала ТКО и формирования биогаза (свалочного газа). Биогаз состоит на 95–98% из отепляющих газов – метана и углекислого газа. Одна тонна ТКО может служить источником образования до нескольких сотен кубометров биогаза.

При взаимодействии содержащейся в свалочном теле воды с твердыми компонентами образуются растворы, загрязненные неорганическими и органическими веществами. Поступление фильтрата в подземные и поверхностные воды приводит к их значительному загрязнению, поэтому с экологической точки зрения ТКО могут служить опасным загрязнителем воды – важнейшего жизнеобеспечивающего ресурса.

В природных условиях газовые образования и жидкие растворы, образующиеся при разложении отходов, хорошо ассимилируются биосферной средой. Однако, в условиях техногенеза природный процесс их разложения в биосфере усложняется за счет увеличения массы отходов и появления в избыточном количестве газообразных и жидких соединений. Это приводит в местах скопления отходов к превышению экологической емкости биосферы к утилизации продуктов разложения. В результате образующиеся газообразные и жидкие продукты распространяются вокруг свалки, загрязняя окружающую среду и создавая экологические проблемы. Особую опасность представляют материалы, такие как пластик, резиновые изделия, металлы, минералы, некоторые медицинские товары, имеющие длительный период разложения: от нескольких сот и нескольких десятков тысяч лет. Их разложение идет так медленно, что можно считать, что они не ассимилируются природной средой и должны удаляться в процессе сортировки.

Очевидно, чтобы создать безопасный полигон прежде всего требуется провести сортировку и переработку компонентов, содержащих вторичные ресурсы. Всю оставшуюся массу неутилизируемых отходов следует направлять для дальнейшего разложения на полигон, оборудованный техногенными системами дренирования, сбора и утилизации вредных газообразных и жидких компонентов разложения отходов.

Природные и техногенные барьеры

Барьеры на нижней границе полигона. Монолитность основания полигона и его противофильтрационная способность имеет первостепенное значение для предотвращения фильтрации из тела ТКО растворов и загрязненных подземных вод. Наиболее эффективные природные экраны образуют влажные глины монтмориллонитового, гидрослюдистого и смешаннослойного состава. Поэтому массивы, сложенные такими глинами, имеют наименьшие фильтрационные характеристики, не более 10^–5 м/сут. Такие природные экраны толщиной от 1.5 м могут полностью обеспечить изоляцию ТКО в основании полигона (рис. 1а).

При наличии в основании полигона менее гидрофильных глинистых пород (суглинки, тяжелые супеси) с коэффициентом фильтрации 10^–5–10^–3 м/сут природный барьер можно считать эффективным при мощности толщи более 3 м. При меньшей мощности природного барьера или его большей фильтрационной способности (10^–3–10^–1 м/сут) потребуется применение комбинированного (природно-техногенного) барьера. В этом случае над природным создается техногенный барьер (рис. 1б), включающий (в основании) плотный гидроизолирующий слой, поверх которого укладывается основной гидроизоляционный слой в виде 1–2 слоев полиэтиленовой пленки или покрытия из горячего битума, асфальтобетона или других материалов, перекрытых сверху защитным слоем из песка и супеси, обработанным нефтью или горячим битумом. На техногенный барьер сверху насыпается 50–80 см дренажного материала, в котором укладывается перфорированная дренажная труба.

Барьеры на бортах полигонов. Наибольшую сложность представляет создание изоляционных барьеров в бортах полигонов, если они слагаются породами с невысокими изоляционными свойствами. Для обеспечения всесторонней изоляции полигона необходимо создание техногенного барьера по всему периметру полигона. Создание такого барьера в разрезе, состоящем из пород различного состава, который сохранял бы свою монолитность и изолирующие свойства, – задача довольно сложная. Тем более, что боковые стенки котлована полигона могут иметь различную крутизну, в связи с чем удержание на них полиэтиленовых пленок, глинистых матов и других гидроизолирующих покрытий часто не представляется возможным. Поэтому при создании техногенных барьеров в таких условиях целесообразно применять методы технической мелиорации грунтов, позволяющих преобразовывать структуру и свойства грунтовых массивов. К числу таких методов относятся методы цементации, глинизации, горячей битумизации грунтов и др. [1, 3]. Весьма перспективным для этих целей является метод “геокомпозит” [12, 13].

Применение методов технической мелиорации заключается в том, что в массиве пород на расстоянии 3–5 м от стенки котлована по всему периметру котлована создается техногенный барьер (рис. 2). Барьер имеет вид пояса шириной 3–5 м и глубину, соответствующую глубине котлована. Вдоль всего пояса на расстоянии 3–6 м одна от другой бурятся скважины для нагнетания в породы вяжущих и цементирующих смесей, существенно изменяющих их свойства. В результате таких процедур фильтрационные свойства пород снижаются, и они начинают выполнять функцию изолирующего барьера для миграции через борта полигона газов и растворов, образующихся в теле отходов.

Барьеры при создании перекрытия полигонов. Барьер, перекрывающий тело отходов с поверхности, возводится при заполнении полигона или при его реконструкции. Защитный поверхностный барьер является техногенным и имеет мощность не менее 1.5 м (см. рис. 2).

Перед созданием барьера поверхность отходов выравнивается и засыпается хорошо уплотняющимся материалом, на который накладывается гидроизоляционный слой, выполняющий основные защитные функции в создаваемом барьере. Для создания гидроизоляционного слоя применяются различные синтетические пленки, битумный материал, водонепроницаемые маты. Поверх гидроизоляционного слоя отсыпается рекультивационный материал, который покрывается сверху 0.15–0.30 м слоем почвы.

Системы сбора и утилизации биогаза и фильтрационных растворов

Для реализации техно-природного принципа обращения с отходами создающиеся полигоны должны включать постоянно действующую систему дренирования накапливающихся внутри полигона свальных газов и загрязненных вод. Такие системы позволяют собирать вредные продукты разложения отходов и их утилизировать, обеспечивая экологическую безопасность создаваемых полигонов.

Система дренирования и утилизации свальных газов. Система вентиляции и утилизации свальных газов включает в себя создание в теле отходов вентиляционных проходов (каналов) для накопления, транспортировки и последующей утилизации газов. Каналы представляют собой прослои обломочного материала (крупный песок, гравий, битый кирпич), толщиной около 0.5 м, укладываемые с расстоянием 2.5–3.0 м между ними. Вертикальная связь между вентиляционными слоями осуществляется с помощью перфорированных труб, постепенно наращиваемых при заполнении полигона. Система вентиляционных труб заканчивается магистральной трубой, по которой газ выходит на поверхность и направляется на утилизацию (рис. 3).

Система сбора и утилизации загрязненных вод. Дополнительно полигоны оборудуются системой сбора и удаления загрязненных поровых вод, образующихся при разложении и уплотнении отходов. Для этого на дне полигона создается дренажный слой мощностью не менее 0.5 м подобно слоям, предназначенных для дренирования и сбора газов. Дренажный слой и уложенные в нем трубы создают водозаборную систему полигона (см. рис. 3).

Описанные системы удаления с полигона свалочных газов и загрязненных вод могут носить нестандартный характер. Важно, чтобы эти сооружения входили в состав инфраструктуры полигона и функционировали на протяжении всего срока его существования.

Экологические требования к созданию безопасных полигонов ТКО

Рассмотренные выше принципы обращения с отходами на основе их разложения и последующей ликвидации (захоронения) позволяют сформулировать общие требования к размещению и созданию экологически безопасных полигонов. Общий вид такого полигона показан на рис. 3.

Основываясь на изложенном выше, можно сформулировать геоэкологические требования к полигонной технологии и созданию безопасных полигонов.

1. Отходы, укладываемые на полигоне, должны быть изолированы от компонентов биосферы и не создавать угрозы загрязнения и снижения качества окружающей среды.

2. Размещение безопасных полигонов должно осуществляться на основании инженерно-геологического районирования территории с учетом литологического состава пород, гидрогеологических условий и развития опасных природных явлений.

3. Отходы должны размещаться на полигоне послойно, чередуясь со слоями песка и гравия.

4. Для обеспечения надежной изоляции отходов следует применять природные и техногенные барьеры.

5. Важнейшей задачей при создании полигона является изолирование его основания. Наиболее благоприятной ситуацией следует считать наличие природного барьера достаточной мощности, сложенного породами (например, глинистыми) с низким коэффициентом фильтрации. При отсутствии природных барьеров допускается применение многобарьерной защиты с сочетанием природных и техногенных барьеров.

6. По техническим соображениям при создании барьерной защиты на боковых сторонах полигонов следует применять методы технической мелиорации грунтов.

7. Сверху полигон должен перекрываться техногенными барьерами толщиной не менее 1.5 м, содержащими на поверхности слой почвы.

8. Полигон должен быть оборудован дренажной системой для сбора и утилизации свалочного газа и очистки образующихся инфильтрационных вод.

9. Территория полигона не должна подвергаться действию опасных природных процессов (сейсмических явлений, подтопления, наводнения, оползневые явления, карстовые и другие процессы).

Примеры создания безопасных полигонов в различных геологических условиях

Рассмотренные выше геоэкологические требования к созданию полигонов ТКО свидетельствуют о том, что к числу важнейших факторов обеспечения их безопасности относятся состав и свойства геологической среды. На основе их учета в пределах изучаемой территории обособляются участки по степени пригодности для создания безопасных полигонов. В качестве примера такого выделения можно привести районирование центральных областей Европейской части России, выполненное в Институте геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН. Изученная территория была подразделена на четыре типа участков по степени пригодности для строительства безопасных полигонов: благоприятные, условно благоприятные, условно неблагоприятные, неблагоприятные. Обобщенные модели таких участков приведены на рис. 4.

Участки, относящиеся к благоприятному типу по условиям размещения полигонов, характеризуются хорошими природными изолирующими свойствами: наличием в основании и кровле сооружения слабопроницаемых глинистых толщ, отсутствием контакта с подземными водами, а также геодинамических явлений и опасных природных процессов. На таких участках возможно строительство объектов ТКО с минимальными финансовыми затратами и соблюдением требований экологической безопасности и социальных условий проживания людей. Пример такого участка показан на рис. 4а. Участок полностью сложен глинистой толщей, являющейся хорошим геологическим барьером, предотвращающим загрязнение атмосферы и подземных вод. Объемы работ по инженерной защите тела отходов минимальны и заключаются в создании в его основании дренажной системы для сбора биогаза и загрязненных вод и перекрытии с поверхности (после закрытия) непроницаемым (для воды и газов) экраном, а также организации мониторинга.

Участки, относящиеся к условно благоприятному типу, приурочены к массивам полупроницаемых и проницаемых пород, но имеющим в основании полигона толщу глин или тяжелых суглинков, которая может служить надежным геологическим барьером (рис. 4б). Важно, что на такой площадке подземные воды, залегающие в пределах зоны влияния отходов, размещаемых на полигоне, находятся ниже его основания. Это не исключает, однако, что даже при незначительном поднятии УГВ может возникнуть контакт свалочного тела с поземными водами. Чтобы его предотвратить, необходимо возводить по периметру полигона природно-техногенный барьер с применением методов технической мелиорации грунтов, опирающийся на непроницаемый глинистый слой в его основании. Кроме того, необходима организации системы дренирования биогаза и загрязненного фильтрата воды.

Территории, относящиеся к третьему, условно непригодному типу участков, характеризуются распространением проницаемых обводненных пород (супесей, песков). В основании участков залегают полупроницаемая толща легких или средних суглинков (рис. 4в). Наличие проницаемых водонасыщенных пород в бортах полигонов и полупроницаемых отложений в основании полигона требует создания техногенных защитных барьеров по всему контуру полигона, в том числе и в его основании. Строительство полигона в таких условиях требует значительных финансовых затрат, поэтому условно неблагоприятные территории используются для создания полигонов размещения ТКО в исключительных случаях.

К четвертому типу относятся участки непригодные для размещения отходов. К ним относятся обводненные территории, сложенные толщей легко водопроницаемых пород (крупнообломочных, трещиноватых, песчаных), в геологическом разрезе которых отсутствуют подстилающие и перекрывающие непроницаемые или полупроницаемые горизонты (рис. 4г). К ним же относятся территории интенсивного развития карстовых, суффозионных, оползневых и других опасных процессов. Инженерная подготовка таких участков требует огромных финансовых затрат на создание природно-техногенных барьеров в основании и контуре сооружения, систем для дренажа биогаза, загрязненных подземных вод и мониторинга. Поэтому размещение объектов ТКО на таких участках должно быть категорически запрещено.