Підвищення екологічної безпеки водних об’єктів в зоні впливу звалищ твердих побутових відходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

МІНІСТЕРСТВО ЕКОЛОГІЇ ТА ПРИРОДНИХ РЕСУРСІВ УКРАЇНИ

НАУКОВО-ДОСЛІДНА УСТАНОВА «УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ»

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ В.Н. КАРАЗІНА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення екологічної безпеки водних об'єктів в зоні впливу звалищ твердих побутових відходів

21.06.01 - екологічна безпека

МИХАЙЛЕНКО ВАЛЕРІЯ ВАЛЕРІЇВНА

Харків - 2016

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Приазовський державний технічний університет» Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник - кандидат хімічних наук, доцент

Капустін Олексій Євгенович

Державний вищий навчальний заклад «Приазовський державний технічний університет»,

завідувач кафедри хімічної технології та інженерії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Василенко Сергій Леонідович

Комунальне підприємство «Харківводоканал»,

головний гідролог

кандидат технічних наук

Бєлоконь Каріна Володимирівна

Запорізька державна інженерна академія,

доцент кафедри прикладної екології та охорони праці

Захист дисертації відбудеться «31» березня 2016 р. о 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.812.01 у науково-дослідній установі «Український науково-дослідний інститут екологічних проблем» за адресою: 61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці науково-дослідної установи «Український науково-дослідний інститут екологічних проблем» (61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6).

Автореферат розісланий «____» ____________ 2016 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Т.Ф. Жуковський



загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одними з джерел забруднення навколишнього середовища, зокрема водних об'єктів, є звалища твердих побутових відходів (ТПВ).

Фільтрат звалищ ТПВ являє собою розчин, в якому вміст забруднюючих речовин значно перевищує гранично допустимі концентрації (ГДК), встановлені для водних об'єктів культурно-побутового значення. Зокрема це стосується, важких металів, сульфатів, заліза, нітратів тощо. Крім того, означений фільтрат містить патогенні мікроорганізми, яйця гельмінтів і тому є загрозою життю та здоров'ю населення.

Типовим прикладом є звалище ТПВ м. Маріуполя, яке розташоване у прибережній зоні р. Кальміус. Воно становить екологічну небезпеку для річки Кальміус та Азовського моря, які знаходяться у зоні його впливу. Внаслідок неконтрольованого надходження забрудненого хімічними речовинами та патогенною флорою фільтрату в річку і в ґрунтові води, цим водним об'єктам завдається шкода.

Заподіяні державі збитки внаслідок порушення законодавства з охорони вод через забруднення водних об'єктів щорічно складають мільйони тисяч гривень.

В зв'язку з цим в дисертації розв'язується актуальна науково-прикладна проблема з розробки способів очищення фільтрату зі звалищ до встановлених норм ГДК для запобігання забруднення р. Кальміус і Азовського моря. Їх впровадження дозволить покращити стан довкілля та якість життя людини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі хімічної технології та інженерії ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет»відповідно до екологічних державних програм та науково-дослідних тем кафедри, в яких здобувач приймала участь в якості виконувача окремих розділів: «Розробка технології очищення скидних вод за допомогою аніонних вуглецевих сорбентів» (держ. реєстрація № 0107U008857); «Мікробіологічні методи переробки відходів» (№ 0111U4447); «Коригування та доповнення програми охорони та оздоровлення навколишнього середовища» (№ 0109U000794); «Екологічна оцінка полігону ТПВ» (№ 0112U006369); «Технологія знешкодження стоків сміттєзвалищ» (№ 0112U005786) та інші.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне обґрунтування та розробка способів очищення фільтрату звалища твердих побутових відходів для запобігання забруднення р. Кальміус і Азовського моря.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

? отримати і проаналізувати дані щодо якісного та кількісного складу видалених відходів на звалищі;

? дослідити ґрунтові води в районі розташування звалища та рідку фазу накопичувача за хімічними та біологічними показниками;

? теоретично обґрунтувати негативний вплив звалища твердих побутових відходів м. Маріуполя на річку Кальміус і Азовське море;

? розробити математичну модель процесу очищення фільтрату, що просочується на поверхню біля звалища ТПВ, методом анаеробного зброджування;

? удосконалити технологію очищення фільтрату накопичувача від фенолів за допомогою шаруватих подвійних гідроксидів та від заліза за допомогою оксиду кальцію;

? розробити комплексні заходи щодо запобігання негативного впливу звалища на довкілля та підвищення екологічної безпеки водних об'єктів. звалище грунтовий вода фільтрат

Дослідження включають в себе визначення концентрацій хімічних речовин, мікробіологічних і паразитологічних показників, вивчення кінетичних закономірностей процесу анаеробного зброджування, розробку технологій очищення фільтрату зі звалища для запобігання забруднення водних об'єктів.

Для розробки ефективних способів очищення треба дослідити склад і мікробіологічні характеристики фільтрату, що просочився на поверхню у зоні розташування звалища, підземних вод із свердловин навколо тіла звалища, рідкої фази накопичувача, у який скидається фільтрат зі звалища. Необхідно також вивчити хімічне та біологічне забруднення пляжів міста Маріуполь. На основі отриманих даних щодо хімічних і біологічних екологічно небезпечних компонентів можна буде запропонувати засоби захищення водних об'єктів від негативного впливу звалища м. Маріуполь.

Об'єкт дослідження - екологічно небезпечні процеси забруднення водних об'єктів фільтратом зі звалищ твердих побутових відходів на прикладі річки Кальміус і Азовського моря.

Предмет дослідження - підвищення рівня екологічної безпеки водних об'єктів шляхом очищення фільтрату зі звалищ ТПВ з використанням анаеробного процесу зброджування і шаруватих подвійних гідроксидів.

Методи дослідження. Під час виконання досліджень використовували гравіметричний і хроматографічний методи, рентгено-флуоресцентний метод на спектрометрі ARL OPTIM'X - для хімічного аналізу фільтрату звалища ТПВ та піску пляжів м. Маріуполь. Концентрацію заліза, фторидів, фосфатів, роданидів, фенолів визначали фотометричним методом, хлоридів - меркурометричним, нафтопродуктів - методом ІЧ-спектрометрії, хімічне споживання кисню - титрометричним. Для визначення мікробіологічних показників використовували чашковий, бродильний метод і метод посівів на селективні середовища, для гельмінтологічних досліджень фільтрату звалища та піску пляжів - метод Н.А. Романенка. Оцінку ефективності анаеробного процесу зброджування з метою очищення фільтрату проводили кінетичним методом. Обробку даних вимірювань здійснювали за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

– отримано результати хімічного і біологічного забруднення ґрунтових вод та фільтрату накопичувача звалища ТПВ м. Маріуполя;

– встановлено взаємозв'язок негативного впливу фільтрату звалища ТПВ на водні об'єкти та забруднення піску пляжів м. Маріуполь;

– теоретично обґрунтовано закономірність та шляхи забруднення Азовського моря збудником холери, виявленого у фільтраті звалища ТПВ.

Набуло подальшого розвитку теоретичне обґрунтування та експериментальне підтвердження ефективності використання процесу анаеробного зброджування для очищення фільтрату, який просочився на поверхню біля тіла звалища, від біологічного забруднення.

Розроблено математичну модель кінетики анаеробного зброджування фільтрату звалища твердих побутових відходів методом, встановлені термічні параметри процесу, що забезпечують максимальну ступінь очищення.

Науково обґрунтовано і розраховано параметри процесу очищення рідкої фази накопичувача від фенолів з застосовуванням сорбентів - шаруватих подвійних гідроксидів та від іонів заліза з використанням оксиду кальцію.

Практичне значення отриманих результатів. Удосконалено технологію очищення рідкої фази накопичувача. Запропоновані технічні рішення прийняті до проектування та впровадження з метою підвищення екологічної безпеки у зоні впливу звалища м. Маріуполя (акт впровадження від 18.12.2012).

На підставі розроблених технологічних рішень вирішується екологічна науково-прикладна проблема недопущення забруднення річки Кальміус і Азовського моря фільтратом звалища ТПВ м. Маріуполь.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї, теоретичні положення, результати експериментальних досліджень, узагальнення і висновки дисертаційної роботи належать автору та його науковому керівнику.

Здобувачем сформульовано мету, ідеї та задачі дослідження для забезпечення екологічної безпеки водних об'єктів в зоні негативного впливу звалища ТПВ. Обґрунтовано методи теоретичних та експериментальних досліджень.

Розроблено наукові положення, висновки та рекомендації для охорони поверхневих вод від забруднення фільтратом звалища. Запропоновано способи очищення рідкої фази накопичувача від фенолів та заліза.

В роботі проведено дослідження хімічного і біологічного забруднення фільтрату. Визначено закономірності розподілу концентрацій забруднюючих речовин у фільтраті, який просочився на поверхню, у воді пробурених свердловин, у рідкій фазі накопичувача.

Вперше теоретично обґрунтовано та експериментально доведено зв'язок між забрудненням піску пляжів м. Маріуполя і звалищем ТПВ. Проаналізовано випадки зараження людей на холеру влітку 2011 р. та визначено залежність між джерелами зараження і звалищем твердих побутових відходів.

Досліджено параметри процесу анаеробного зброджування, його теоретичний опис на основі кінетичних рівнянь, побудовано кінетичну модель процесу.

Обґрунтовано можливість використання шаруватих подвійних гідроксидів для очищення рідкої фази накопичувача твердих побутових відходів, а також експериментально досліджена технологія очищення фільтрату ТПВ від солей заліза фізико-хімічним методом.

Особистий внесок здобувача в публікаціях, написаних у співавторстві: дослідження негативного впливу на Азовське море звалища ТПВ [8] і фільтрату [17] з розробкою попереджувальних екологічних заходів [1], зокрема від забруднення водних об'єктів фільтратом звалищ [13]; дослідження кінетики процесу очищення фільтрату накопичувача [3], анаеробного зброджування фільтрату [10, 19] з встановленням оптимальних параметрів процесу [7], кінетики очищення вод від фенолів [4], фракційного складу сміття [18], мікробіологічного та гельмінтологічного складу фільтрату звалища [12]; визначення хімічного складу фільтрату накопичувача [14, 16, 20]; доведення негативного впливу звалища на р. Кальміус та його внеску у гельмінтологічне забруднення пляжів м. Маріуполя [11] і захворювання людей холерою [9]; обґрунтування методів дослідження та способів очищення фільтрату звалищ [2, 21], зокрема від фенолів та заліза [5, 6]; лабораторне дослідження процесу очищення фільтрату за допомогою шаруватих подвійних гідроксидів [15].

Апробація результатів роботи. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи оприлюднено, обговорено і схвалено на міжнародних та українських науково-технічних конференціях і форумах: «Університетська наука» (Маріуполь, 2008-2015, щорічно), «Конкурс інноваційних проектів молодих вчених» (Донецьк, 2010), «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів» (Донецьк, 2011), «6^th Dubrovnik Conference on Sustainable Development of Energy Water and Environment System» (Дубровнік, Хорватія, 2011), «Europian Clay Conference» (Анталія, Туреччина, 2011), «Співробітництво для вирішення проблеми відходів» (Харків, 2012), «I Міжгалузева науково-практична конференція молодих вчених і спеціалістів в області проектування підприємств гірничо-металургійного комплексу, енерго- та ресурсозбереження, захисту навколишнього природного середовища» (Харків, 2012), «Конкурс-захист екологічних проектів студентів та аспірантів «На шляху до збалансованого розвитку та "зеленої" економіки» (Київ, 2012), «Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення» (Алушта, 2012), «Екологія. Людина. Суспільство» (Київ, 2013), «Поводження з відходами в Україні: законодавство, економіка, технології» (Луганськ, 2013), XII конкурс науково-дослідних робіт молодих учених-хіміків на здобуття гранта ім. академіка Л.М. Литвиненка (Донецьк, 2014), «Міжнародний форум «Green City» (Маріуполь, 2015).

Публікації. За матеріалами дисертаційних досліджень опублікована 21 робота, зокрема 6 статей у наукових фахових виданнях України, 3 статті у наукових періодичних виданнях інших держав, 1 патент на винаходи, 5 статей в збірниках наукових праць, 6 публікацій в матеріалах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури з 166 найменувань на 19 сторінках, з 5 додатків на 19 сторінках. Повний обсяг дисертації - 185 сторінок, з них основного тексту - 134 сторінки. Робота містить 40 рисунків і 27 таблиць, з них 13 на окремих сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано її зв'язок із науковими програмами. Сформульовано мету, завдання, об'єкт і предмет досліджень, визначено наукову новизну і практичне значення здобутих результатів. Надано інформацію про впровадження, публікації, апробацію та особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено критичний аналіз наукових публікацій за темою дисертації. Виявлено особливості та систематизовано сучасні відомості про кількість і склад накопичених відходів, методи їх переробки, а також способи очищення фільтратів звалищ ТПВ від хіміко-біологічних забруднень.

Значний внесок у дослідження негативного впливу фільтрату звалищ і полігонів ТПВ на водні об'єкти та розробку технологій очищення зробили провідні вітчизняні та іноземні фахівці: Ведяшкін А.С., Варнавська І.В, Яцков М.В., Душкін С.С., Ягафарова Г.Г., Вайсман Я.І., Калініхін О.Н., Найманов А.Я., Окрушко В.Є., Sakai S., Eleazer W. та ін. Але представлені технології очищення забруднених вод не є достатньо ефективними для забезпечення екологічної безпеки водних об'єктів під час очищення фільтрату звалища ТПВ, зокрема м. Маріуполя.

На основі аналізу літературних джерел сформульовано напрямок досліджень: всебічне вивчення джерел негативного впливу звалища ТПВ з метою розроблення комплексних заходів запобігання забрудненню річки Кальміус і Азовського моря.

У другому розділі описано хімічні та біологічні методи досліджень розташованого на звалищі сміття та фільтрату, що утворюється.

Зразки фільтрату звалища, сміття, піску пляжів для досліджень відбирали згідно зі стандартними методиками.

Для оцінювання хімічних показників застосовувались методи фотоколори-метричного, рентгенофлуоресцентного, титрометричного, спектрометричного, гравіметричного, хроматографічного аналізу. Хімічний аналіз фільтрату звалища ТПВ та піску міських пляжів проводили рентгено-флуоресцентним методом.

Вміст яєць гельмінтів у стоках та піску пляжів з'ясовували методом Н.А. Романенка з використанням таблиць для ідентифікації яєць за видовою належністю. Загальне мікробне число у фільтраті визначали чашковим методом. Кількість бактерій групи кишкової палички у фільтраті визначали бродильним методом. Дослідження на наявність мікроорганізмів р. Salmonella, р. Staphylococcus та сульфітредукуючих клостридій здійснювали шляхом засівань стічних вод на відповідні середовища.

Анаеробні, сорбційні та осаджувальні процеси вивчали кінетичним методом. Дослідження процесу анаеробного зброджування фільтрату проведено в лабораторних умовах у термостатуючому реакторі. Ефективність сорбції фенолів за допомогою шаруватих подвійних гідроксидів визначали також в лабораторних умовах в реакторі змішення з періодичним відбором зразків.

Кінетичні закономірності осадження заліза оцінювали за зміненням мутності та кольору розчину за допомогою фотоколориметрії.

У третьому розділі наведено результати визначення складу сміття, хімічних і біологічних показників фільтрату звалища ТПВ, яке розташовано на лівому березі річки Кальміус (рис. 1) в 6,7 км від її впадіння у Азовське море і займає площу 5,5 га. На ньому розміщено 5,4 млн. т сміття. Звалище експлуатувалось протягом 45 років та у 2012 р. було закрито. Накопичувач для збору фільтрату зі звалища має розміри 110Ч90 м і глибину до 5 м.

Проведений аналіз сміття показав, що на 37 % воно складається з харчових відходів, 28 % становить папір та інші. Усереднений показник вологості сміття дорівнює 24 %. У літній період року частка харчових відходів зростає в 1,5 рази, при загальному збільшенні вологості до 32 %.

Звалище ТПВ являє собою екологічно небезпечний об'єкт, оскільки сприяє забрудненню вод річки Кальміус та Азовського моря.

В деяких місцях звалища фільтрат просочується на поверхню та утворює потік, з яким забруднення надходять у водойми. Для запобігання скидання забрудненого фільтрату в довкілля на звалище був розташований накопичувач.

Але рідка фаза накопичувача постійно відводиться в річку, особливо у період значних атмосферних опадів. Для отримання повних даних щодо забруднення фільтратом водних об'єктів були проведені дослідження підземних вод в районі розташування звалища. Дослідження включало вивчення хімічного і біологічного забруднення ґрунтових вод та фільтрату, що просочився на поверхню, а також накопиченого у накопичувачі фільтрату. Характер розташування точок відбору проб (див. рис. 1) свідчить про їх достатню репрезентативність.

Хімічний аналіз фільтрату, що просочився на поверхню, показав перевищення ГДК забруднюючих речовин (табл. 1) у порівнянні з нормативами якості води водних об'єктів господарсько-питного значення.



Таблиця 1 - Хімічне дослідження фільтрату, що просочився на поверхню

Показник	ГДК, мг/дм3	Перевищення ГДК, разів
		Зразок 1	Зразок 2	Зразок 3	Зразок 4	Зразок 5
Феноли	0,1	40	40	-	-	-
Fe	0,3	3300	0,7	0,7	3500	1,0
ХСК	30,0	47,2	10,1	9,5	-	-
СПАР	0,01	8,0	0,6	-	-	-
SCN -	0,1	0,7	1,0	-	-	-
NH4+	2,0	2,5	0,3	0,5	2,1	0,9
Al 3+	0,5	2,6	0,4	0,4	0,8	0,2
НП	0,3	1,7	5,7	-	-	-
Pb2+	0,03	1,7	3,0	0,3	0,3	6,7

Примітки: ХСК - хімічне споживання кисню; СПАР - синтетичні поверхнево-активні речовини; НП - нафтопродукти.

Зокрема, експериментально отримані данні перевищують нормативні показники по фенолам і загальному залізу: відповідно у 40 та 3300 раз.

Біологічні дослідження фільтрату виявили перевищення значень колі-індексу, а також загального мікробного числа. Загальна кількість мікроорганізмів, які містяться в забрудненому фільтраті, становить 7,0·10⁹ кл/дм³, колі-індекс 2,4·10⁵.

Були виявлені патогенні мікроорганізми: Clostridium perfringens, Bacillus anthracis, Salmonella enterica, Staphylococcus aureus, а також Vibrio cholerae, Yersinia pestis, Francisella tularensis.

Одночасно знайдено яйця гельмінтів: Enterobius vermicularis, Ascaris lumbricoides, Diphyllobothrium latum, Taeniarhynchus saginatus, Taenia solium, Ancilostoma duodunale, Echinococcus granulosus, Strongyloides stercoralis.

В роботі досліджено та підтверджено негативний вплив фільтрату на підземні води. Для цього були пробурені свердловини глибиною від 6,5 м до 25 м в різних частинах звалища: як через накопичене сміття, так і навколо звалища. Результати хімічного аналізу підземних вод наведено у табл. 2.



Таблиця 2 - Результати хімічного дослідження підземних вод

Показник	ГДК, мг/дм3	Перевищення ГДК у підземних водах (свердловини)
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Феноли	0,1	6,8	0,2	6,8	0,2	5,4	48	3,0	0,8	0,5	0,3
Fe	0,3	4,9	3,1	0,8	0,3	1,5	11	0,2	1,3	0,8	1,1
СПАР	0,01	2,0	-	1,2	-	2,9	3,4	-	-	1,2	0,4
NH4+	2,0	1,7	2,3	1,1	3,4	0,4	13,1	1,0	3,1	0,8	3,0
F-	1,5	2,1	1,8	2,5	3,2	1,2	14,0	2,8	5,5	2,6	1,9
ХСК	30,0	1,1	1,2	1,2	2,2	0,9	3,4	2,1	1,5	1,1	0,8
Al 3+	0,5	1,3	1,3	3,2	1,2	1,1	1,6	2,2	1,8	0,8	2,2
НП	0,3	-	1,6	-	1,0	-	-	1,8	1,3	-	-
Mn2+	0,1	1,6	1,9	4,6	1,5	3,2	1,8	2,8	4,0	2,0	-
Ni2+	0,1	1,6	1,4	2,1	2,1	3,5	2,3	1,9	1,0	3,0	2,0
Pb2+	0,03	0,4	0,4	3,9	0,9	5,2	0,5	3,2	0,3	2,0	1,3
Se2+	0,01	1,4	1,4	0,5	3.7	3,7	5,1	0,3	1,0	1,0	-

Примітка: для зручності подання величини перевищень перших двох показників наведено із зменшенням в 1000 разів.

Досліджене звалище ТПВ має свої особливості. Для фільтрату звалища характерний високий вміст фенолів та іонів заліза, у той час, як фільтрати більшості звалищ містять, в першу чергу, підвищені концентрації нітратів, хлоридів і ХСК, що перевищують ГДК. Наприклад, вміст фенолів на звалищі м. Маріуполь перевищує ГДК в тисячі разів, тоді як концентрація фенолів типового звалища знаходиться на рівні 4 мг/дм³.

Основна причина такої відмінності складу фільтрату полягає в тому, що крім побутових відходів на звалищі м. Маріуполя багато років розміщали відходи коксохімічного та металургійного виробництв з порушенням екологічних норм. Особливості хімічного складу фільтрату обумовлюють неможливість застосування відомих методів очищення фільтрату звалища ТПВ м. Маріуполя та необхідність розробки нових та удосконалення існуючих методів з урахуванням складу фільтрату.

Для запобігання потрапляння забрудненого фільтрату в річку Кальміус та Азовське море поряд зі звалищем був утворений накопичувач.

З накопичувача фільтрат без очищення скидається по трубі в річку Кальміус, забруднюючи не тільки її, але і Азовське море. Хімічний аналіз рідкої фази накопичувача показав результати, аналогічні, отриманим нами при дослідженні фільтрату, який просочився на поверхню. Так, вміст фенолів у рідкій фазі накопичувача перевищує ГДК у 41 раз, вміст заліза - в 329 разів.

Феноли мають дезінфікуючу дію, тому в рідкій фазі накопичувача не виявлено перевищення ГДК за мікробіологічними та гельмінтологічними показниками. Однак були виявлені численні безхребетні і земноводні та вищі рослини.

Оскільки спостерігається постійний скид неочищеного фільтрату звалища ТПВ в річку Кальміус, яка впадає в Азовське море, є очевидним подальше забруднення морських вод. Течії в Азовському морі сприяють додатковому розповсюдженню забруднень уздовж прибережних та пляжних території.

Хімічне і біологічне дослідження пляжів підтвердило негативний вплив звалища ТПВ на Азовське море. Так, хімічний аналіз піску міських пляжів показав перевищення ГДК за вмістом заліза, алюмінію, вольфраму, що корелюють з результатами досліджень фільтрату звалища ТПВ. Тенденції змінення концентрацій забруднюючих речовин з відстанню від устя р. Кальміус свідчать про вплив звалища ТПВ на екологічний стан пляжів.

Одночасно з відбором проб для хімічного аналізу, відбиралися проби піску з метою оцінки біологічного забруднення пляжів. В якості індикатора був обраний питомий вміст яєць гельмінтів, оскільки в порівнянні з визначенням мікробіологічних показників, гельмінтологічні дослідження проводяться швидше і вимагають не настільки трудомісткого обладнання.

Аналіз показав, що 95 % виявлених нами яєць гельмінтів відносилися до двох видів: Enterobius vermicularis і Ascaris lumbricoides (рис. 2).



Крім того, у зразках піску 6, 7 и 8 виявлені яйця гельмінтів Diphyllobothrium latum, Taeniarhynchus saginatus, Taenia solium, Enterobius vermicularis, Ascaris lumbricoides, Ancilostoma duodunale, Strongyloides stercoralis.

Отримані дані показали високий вміст яєць гельмінтів у зразках, відібраних в місцях, наближених до устя р. Кальміус.

Переважна наявність яєць гельмінтів типу Enterobius vermicularis та Ascaris lumbricoides цілком пояснюється їх широким розповсюдженням. Також були виявлені яйця інших видів гельмінтів. Загальна тенденція змінення вмісту яєць гельмінтів в піску аналогічна змінам концентрацій хімічних речовин.

Виявлення у фільтраті звалища ТПВ збудника холери - Vibrio cholerae - дало підставу звернути увагу на причини і джерела епідемії холери, яка трапилася в місті Маріуполі в травні-серпні 2011 р.

Джерело розповсюдження холери в м. Маріуполі в свій час не було виявлено достовірно. Однак за результатами аналізу причин зараження холерою встановлено зв'язок з р. Кальміус і Азовським морем, а саме - з купанням та ловом риби в р. Кальміус або в районі її устя. Це свідчить про те, що забруднення Азовського моря Vibrio cholerae не є локальним (рис. 3).



Таким чином, було доведено, що джерелом холери в м. Маріуполі є звалище ТПВ, оскільки воно розташоване на лівому березі р. Кальміус в 6,7 км від місця впадіння в Азовське море.

Під час аналізу фільтрату був виявлений збудник холери.

Отримані результати хімічних і біологічних досліджень підземних вод та фільтрату, а також вивчення складу накопиченого на звалищі сміття дають підставу для розробки способів очищення фільтрату звалища ТПВ з метою запобігання забруднення ними річки Кальміус і Азовського моря.

В четвертому розділі наведено результати досліджень щодо підвищення рівня екологічної безпеки водних об'єктів в зоні впливу звалища твердих побутових відходів.

Розроблений комплекс заходів передбачає проведення рекультивації звалища ТПВ м. Маріуполя з метою покращання екологічного стану навколишнього середовища. Процес рекультивації виконується у два етапи: технічний та біологічний. Технічний етап включає конструкційні рішення з улаштування захисних екранів для основи та поверхні звалища, очищення та утилізації біогазу, збору та обробки фільтрату і стічних вод. Після технічної стадії рекультивації реалізується біологічний етап, який включає комплекс агротехнічних та фіто-меліоративних заходів.

Ефективним способом очищення фільтрату, що просочився на поверхню, є анаеробне зброджування. Для його практичного застосування з метою очищення забрудненого фільтрату було вивчено залежність процесу від різних чинників, а також визначено оптимальні умови протікання процесу зброджування.

Дослідження процесу анаеробного зброджування проводили в лабораторних умовах. На анаеробне зброджування основний вплив чинять наступні фактори: концентрація мікроорганізмів, pH середовища, інгібітори, перемішування.

Встановлено, що тривалість процесу очищення знижується разом зі збільшенням частки збродженого осаду, який служить інокулятом.

У кожному наступному циклі тривалість фази кислотного гідролізу також знижується. Тобто відбувається адаптація мікрофлори осаду, що розвивається в лабораторній установці анаеробного зброджування.

В лабораторних умовах процес зброджування тривав протягом 4 тижнів, коли вихід газу знижувався з 28-30 до 5-8 обсягів на 1 об'єм рідини. Склад газу при цьому включав 63 % метану і 36 % вуглекислого газу. При низьких температурах спостерігалося досить високе значення залишкового ХСК (рис. 4).

Кінетичні закономірності швидкості зброджування описуються рівнянням Арреніуса в тому температурному діапазоні, де не відбувається загибелі мікроорганізмів.

У початковий період процесу швидкість реакції можна описати рівнянням, що враховує як зміну ХСК, так і збільшення обсягу біогазу, що виділяється:

або .



Ґрунтуючись на тому, що концентрація осаду в фільтраті невелика, кінетичну модель будували з припущенням, що процес описується рівнянням першого порядку. За результатами досліджень зброджування для різних температур знайшли енергію активації E = 51 кДж/моль. Це свідчить про те, що швидкість всього процесу анаеробного зброджування визначається активністю мікроорганізмів, а не процесами доставки субстрату, що пов'язано з інтенсивним перемішуванням бродильної маси протягом процесу.

При температурі 63-66 єС виділення біогазу і зниження ХСК не спостерігали протягом 7 діб (табл. 3). Тобто процес анаеробного зброджування не проходив, оскільки за такими умовами гинуть мікроорганізми, що сприяють зброджуванню.

Таблиця 3 - Ефективність зброджування фільтрату, що просочується на поверхню, в залежності від температури

Температура, °С	Кислотна фаза, год.	Фаза бродіння, год.	Об'єм біогазу, л/л	ХСК кін., мг О2/л
20-22	94-96	4 тижня	5-8	2800
35-37	48-66	70-72	22-24	1250
55-56	24-25	25	28-30	900
63-66	-	-	-	-

Слід відмітити один суттєвий момент: для різних температур очищення титр ентеробактерій і вміст гельмінтів змінюються по-різному.

Так, при температурах близько 37 єС кількість ентеробактерій навіть зростає в порівнянні з початковими значеннями. Збільшується і зміст гельмінтів.

Підвищення температури до 45 єС призводить до загибелі гельмінтів, але в мулі ще присутня досить велика кількість ентеробактерій, і лише при температурі 55 єС вміст ентеробактерій різко знижується. Тобто робота установки в оптимальному режимі забезпечує повну загибель мікроорганізмів і гельмінтів.

Розбавлення субстрату водою не тільки зменшує концентрацію, але і призводить до більш глибоких змін у процесі зброджування. Були проведені дослідження з вивчення швидкості зброджування розведених проб. Осад розбавляли водою у співвідношеннях (вода/осад) - 10/90, 20/80, 40/60.

Різке зниження швидкості очищення при розведенні фільтрату водою ми пояснюємо тим, що у воді присутній кисень, який повністю і остаточно інгібує процеси бродіння. Оскільки мікроорганізми, що розвиваються в процесі являють собою строгі анаероби, не переносять навіть незначних концентрацій розчиненого кисню. Схема очищення фільтрату звалища, що просочився на поверхню, містіть чотири основних етапів (рис. 5).

Розробка технології очищення накопичувача проводилася, виходячи з результатів хімічного аналізу.

Оскільки дослідження рідкої фази накопичувача показали перевищення ГДК фенолів і солей заліза, то технологія очищення має бути спрямована на очищення від цих компонентів. Розроблена нами технологія стала основою проекту з очищення накопичувача з подальшим його засипанням. Середній обсяг рідкої фази накопичувача становить 80 тис. м³, площа дзеркала води - 35 тис. м².

Очищення компонентів водної фази накопичувача включає в себе вирівнювання дна, засипку нейтралізуючого шару, засипку адсорбуючого шару (рис. 6). В якості нейтралізуючої суміші використовується оксид кальцію. Сорбентом є шаруваті подвійні гідроксиди.



Була вивчена кінетика іонообмінної сорбції фенолів на сорбентах різного складу. Оскільки фенол є кислотою, іонний обмін протікає досить швидко. Для визначення параметрів процесу проведено дослідження кінетики сорбції фенолів (рис. 7).

Отримані результати експериментів свідчать про перший концентраційний порядок за адсорбатом. Вивчення одержаних даних показало, що швидкість поглинання фенолів залежить прямо пропорційно від концентрації фенолів і кількості сорбенту. Отримане значення енергії активації E = 29 кДж/моль свідчить про те, що реакція протікає в дифузійній області. В якості нейтралізуючої суміші для очищення фільтрату звалища від заліза запропоновано використовувати шлак і оксид кальцію (рис. 8). Це дозволить використати металургійний шлак (МШ), що накопичений у місті. Для рівномірного розподілу основного компоненту шлак і оксид кальцію взяті у співвідношенні 4:1 (фракційний склад нейтралізуючої суміші: 2-3 мм).

Для осадження всього заліза потрібно 86,8 т оксиду кальцію та 347,1 т металургійного шлаку. Кількість сорбентів, необхідна для повної адсорбції фенолів, складе 70 т. Сумарна маса суміші становить 503,9 т.

У процесі нейтралізації з водної фази накопичувача буде вилучено: органічних сполук - 45,6 т; неорганічних сполук - 522 т.

Всі сполуки, як органічні, так і неорганічні, в процесі очистки будуть осаджені на дно накопичувача і утворять асфальтоподобній шар. Вивезення або будь-яке інше переміщення відходів не передбачається.

Після видалення фенолів і заліза, очищені води накопичувача будуть скидатися через дренажну мережу на біоплато, розташоване за автодорогою, а звідти в р. Кальміус. До попадання в річку склад очищених вод контролюється двічі: 1) безпосередньо у накопичувачі після нейтралізації, перед відведенням на біоплато; 2) після біоплато перед скиданням в р. Кальміус.

Впровадження запропонованих заходів з очищення стічних вод фільтрату звалища за допомогою анаеробного зброджування та нейтралізації і сорбції дозволяє підвищити рівень екологічної безпеки звалища ТПВ.

Розроблена технологія дозволяє знизити вміст біологічних та хімічних забруднювачів до рівня нижче ГДК (табл. 4).



Таблиця 4 - Результати очищення фільтрату

Показник	ГДК (норматив)	Початкова концентрація	Кінцева концентрація
Загальне мікробне число	Не нормується	7,0·109кл/дм3	Не виявлено
Колі-індекс	1·103	2,4·105	Не виявлено
Патогенні мікроорганізми	Відсутність	Наявність	Не виявлено
Яйця гельмінтів	Відсутність	63 шт/дм3	Не виявлено
Залізо загальне, мг/дм3	0,3	557	0,04
Феноли, мг/дм3	0,1	436	0,06

Скидання очищеного фільтрату у річку Кальміус не призведе до погіршення екологічного стану водних об'єктів тому, що очищення відбувається до значень показників нижче встановлених ГДК.

На даний час, внаслідок безконтрольного скидання забрудненого фільтрату в річку і ґрунтові води, порушується екологічна рівновага водних об'єктів.

Зі звалища ТПВ у р. Кальміус та Азовське море надходить забруднений фільтрат, обсягом 24,3·10³ м³/рік. Разом із забрудненим фільтратом звалища ТПВ у водні об'єкти скидається 7,9 т фенолів і 10,8 т заліза.

Економічний збиток, нанесений державі в результаті забруднення водних об'єктів фільтратом звалища ТПВ, розраховано згідно з методикою, затвердженою Мінприроди України (2008), за формулою:

,

де - коефіцієнт, що враховує категорію водного об'єкту, розташованого на території міста;

- регіональний коефіцієнт дефіцитності підземних вод, для Донецької області складає 1,34;

- маса забруднюючого компоненту, т;

- проіндексований питомий збиток, грн/т.

Враховуючи тільки основні забруднюючи речовини (залізо та феноли), орієнтовний річний збиток внаслідок забруднення природних вод фільтратом зі звалища складає:

= 2,4•1,34•10,8•3614,9 = 125,5 тис. грн.;

= 2,4•1,34•7,9•10844 = 275,5 тис. грн.

Річний збиток разом становить 401 тис. грн. Вартість станції анаеробної очистки фільтрату відповідної потужності складає близько 900 тис. грн.

Термін окупності станції анаеробної очистки рідких стоків - близько 2 років.



ВИСНОВКИ

Запобігання забрудненню водних об'єктів фільтратом звалища твердих побутових відходів шляхом доведення якості очищення його стоків до встановлених нормативів ГДК є актуальним завданням.

Дисертаційне дослідження є закінченою науково-дослідною роботою, в якої поставлено і вирішено науково-прикладну проблему із забезпечення якості очищеного фільтрату за показниками вмісту забруднюючих речовин.

1. Досліджено фракційний склад сміття, що накопичене на звалищі: 37 % складають харчові відходи, 28 % - папір.

2. Встановлено перевищення ГДК за змістом екологічно небезпечних компонентів у підземних водах в районі розташування звалища ТПВ та у рідкій фазі накопичувача. Визначене перевищення ГДК для фенолів складає 48 тис. разів і заліза - 5 тис. разів.

Виявлено перевищення ГДК за мікробіологічними показниками - колі-індексу (в 2 тис. разів), загального мікробного числа. У фільтраті знайдено патогенні мікроорганізми: Clostridium perfringens, Bacillus anthracis, Salmonella enterica, Staphylococcus aureus, Vibrio cholerae. Одночасно ідентифіковано перевищення ГДК за змістом яєць гельмінтів: Enterobius vermicularis, Ascaris lumbricoides, Diphyllobothrium latum, Taenia solium, Ancilostoma duodunale.

3. Теоретично обґрунтовано та доведено негативний вплив фільтрату звалища на річку Кальміус та Азовське море. Досліджено хімічний і біологічний склад піску пляжів з метою доказу негативного впливу полігона ТПВ. Знайдено перевищення ГДК за змістом екологічно небезпечних забруднюючих речовин і за мікробіологічними та гельмінтологічними показниками, відповідне результатами досліджень фільтрату полігону ТПВ. Результати біологічного дослідження вказують на полігон твердих побутових відходів як на джерело епідемії холери в 2011 році. Проаналізувавши джерела зараження людей на холеру, знайдено взаємозв'язок між джерелами зараження і стоками полігону ТПВ.

4. Методом однофакторного експерименту були проведені кінетичні дослідження процесів анаеробного зброджування. Визначено числові значення констант швидкостей та енергій активації. Побудовані математичні моделі дозволяють досить адекватно описати протікання реакцій і служать основою для розробці технологічних рішень. Доведено можливість застосування анаеробного зброджування для очищення фільтрату від біологічного забруднення з наступним скиданням очищеного фільтрату в річку. Визначено оптимальну температуру 54-55 °С, за якою ефективність очищення максимальна, та відповідну енергію активації процесу E=51 кДж/моль. Встановлено, що використання безперервного способу організації процесу найефективніше.

5. Досліджено кінетику іонообмінної сорбції фенолів на сорбентах різного складу з визначенням параметрів процесу. Встановлено, що швидкість поглинання фенолів залежить прямо пропорційно від їх концентрації і кількості сорбенту, реакція протікає в дифузійній області (Е=29 кДж/моль).

Доведено ефективність застосування методу осадження для видалення заліза з фільтрату звалища ТПВ. Визначено оптимальний склад нейтралізуючої суміші. Розрахована кількість компонентів суміші складає: 86,8 т оксиду кальцію, 347,1 т металургійного шлаку, 70 т шаруватих подвійних гідроксидів.

6. На підставі розроблених технічних рішень створено технологію для очищення водної фази накопичувача фільтрату звалища ТПВ з наступним відведенням очищеної води в поверхневі води з показниками нижче рівня ГДК. Запропоновані технологічні рішення прийняти до проектування та впровадження, що дозволяє запобігти забрудненню річки Кальміус та Азовського моря і підвищити рівень екологічної безпеки водних об'єктів.



ОПУБЛІКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шавкун В.В. Уменьшение дренажных стоков с полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Вісник Приазовського держ. техн. ун-ту. Сер.: Техн. науки. - 2012. - № 25. - С. 260-265.

2. Шавкун В.В. Методы исследования полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Вісник Приазовського держ. техн. ун-ту. Сер.: Техн. науки. - 2012. - № 25. - С. 265-274.

3. Шавкун В.В. Очистка отстойника полигона твердых бытовых отходов от фенолов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Э.О. Бутенко // Вісник НТУ «ХПІ». Сер.: Нові рішення в сучасних технологіях. - 2013. - № 16(989). - С. 122-128.

4. Шавкун В.В. Кинетические исследования процессов нейтрализации отстойника полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Э.О. Бутенко // Вісник Донецького нац. ун-ту. Сер. А: Природничі науки. - 2013. - № 2. - С. 164-167.

5. Шавкун В.В. Технология нейтрализации отстойника полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Проблеми охорони навколишнього природного середовища та екологічної безпеки: зб. наук. пр. / Укр. НДІ екологічних проблем. - 2013. - № 35. - С. 92-101.

6. Михайленко В.В. Исследование процессов очистки отстойника полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Вісник Харківського нац. ун-ту ім. В.Н. Каразіна. Сер.: Екологія / зб. наук. праць. - Харків: ХНУ ім. В.Н. Каразіна, 2014. - Вип. 11. - С. 96-100.

7. Шавкун В.В. Микробиологическая переработка ила в анаэробных условиях / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Известия ВУЗов. Прикладная химия и биотехнология. - 2012. - № 2(3). - С. 81-85.

8. Shavkun V. Azov Sea Contamination by Dump and Landfill / V. Shavkun, A. Kapustin, Y. Binkovsky // Int. J. of Sustainable Water and Environmental Systems (SWES). - 2012. - Vol. 4, № 1. - P. 67-72.

9. Shavkun V. Identification of Cholera Source in Mariupol City / V. Shavkun, A. Kapustin // J. of Environmental Science and Engineering. - 2012. - P. 499-509.

10. Пат. 89790 Україна МПК (2014.01) С02F 3/00 C02F 9/00 C02F 11/04 (2006/01). Спосіб очищення стічних вод полігонів твердих побутових відходів / В.В. Михайленко, О.Є. Капустін; заявник та власник патенту Державний вищий навчальний заклад «Приазовський державний технічний університет». - № u 2013 15131; заявл. 24.12.2013; опубл. 25.04.2014, Бюл. № 8. - 4 с.

11. Шавкун В.В. Загрязнение городских пляжей яйцами гельминтов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: зб. докл. XXI Всеукр. наук. конф. аспірантів і студентів, 12-14 квітня 2011 р., ДонНУ, ДонНТУ. - Донецьк, 2011. - Т. 2. - С. 120-121.

12. Шавкун В.В. Биологические загрязнители в стоках полигона твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів: зб. докл. XXI Всеукр. наук. конф. аспірантів і студентів, 12-14 квітня 2011 р., ДонНУ, ДонНТУ. - Донецьк, 2011. - Т. 2. - С. 166-167.

13. Капустин А.Е. Предотвращение сброса токсичных стоков в Азовское море с использованием анаэробных процессов / А.Е. Капустин, В.В. Шавкун // Природно-ресурсний потенціал збалансованого (сталого) розвитку України: матер. міжнарод. конф., Київ, 19-20 квітня 2011 р. - 2011. - Т. 2. - С. 385-389.

14. Shavkun V. Azov Sea contamination by Dumps and Landfills / A. Kapustin, V. Shavkun // 6th Dubrovnik Conf. on Sustainable Development of Energy Water and Environment Systems, Dubrovnik, Croatia September 25-29, 2011. - P. 229-230.

15. Shavkun V. Removal of Chemical and Biological Contaminants by LDH / A. Kapustin, V. Shavkun, E. Butenko // 6-th Dubrovnik Conference on Sustainable Development of Energy Water and Environment Systems, Dubrovnik, Croatia September 25-29, 2011. - P. 432-433.

16. Шавкун В.В.Исследование пруда-шламонакопителя на полигоне твердых бытовых отходов / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Инновационные пути модернизации базовых отраслей промышленности, энерго- и ресурсосбережение, охрана окружающей природной среды: сб. тр. I Межотраслевой науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 27-28 марта 2012 г., Харьков. - Х.: УкрГНТЦ «Энергосталь», 2012. - С. 498-501.

17. Шавкун В.В. Влияние стоков полигона твердых бытовых отходов на Азовское море / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Инновационные пути модернизации базовых отраслей промышленности, энерго- и ресурсосбережение, охрана окружающей природной среды: сб. тр. I Межотраслевой науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, 27-28 марта 2012 г., Харьков. - Х.: УкрГНТЦ «Энергосталь», 2012.- С. 502-510.

18. Шавкун В.В. Полигон ТБО г. Мариуполя: морфологический состав отходов и характеристики фильтрата [Электр. ресурс] / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Сотрудничество для решения проблемы отходов: матер. IX международ. конф. «WasteECo-2012». - 2012. - С. 26. - URL: http://waste.ua/eco/2012/municipal-waste/mariupol/.

19. Шавкун В.В. Микробиологическое сбраживание ила / В.В. Шавкун, А.Е. Капустин, Ю.Б. Биньковский // Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення: зб. наук. ст. VIII міжнарод. наук.-практ. конф., 10-14 вересня 2012 р., Алушта. - Х.: УкрНДІЕП, 2012. - С. 58-63.

20. Михайленко В.В. Исследование фильтрата полигона твердых бытовых отходов г. Мариуполя / В.В. Михайленко, А.Е. Капустин // Екологія. Людина. Суспільство: матер. XVI міжнарод. наук.-практ. конф. студентів, аспірантів і молодих учених, 17-19 травня 2013 р., Київ. - К.: НТУУ «КПІ», 2013. - С. 51-52.

21. Михайленко В.В. Ликвидация загрязнения водных объектов стоками полигона твердых бытовых отходов / В.В. Михайленко, А.Е. Капустин // Поводження з відходами в Україні: законодавство, економіка, технології: матер. нац. форуму, 24-25 жовтня 2013 р., Луганськ. - К.: Центр еколог. освіти та інф. 2013. - С. 63-66.



АНОТАЦІЯ

Михайленко В.В. Підвищення екологічної безпеки водних об'єктів в зоні впливу звалищ твердих побутових відходів. - На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. - Науково-дослідна установа «Український науково-дослідний інститут екологічних проблем» та Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2016.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу звалища твердих побутових відходів на водні об'єкти.

Під час дослідження хімічного складу поверхневого фільтрату було виявлено перевищення гранично допустимих концентрацій фенолів і солей заліза.

Для усунення негативного впливу звалища твердих побутових відходів розроблено схему комплексних заходів з рекультивації звалища, очищення фільтрату звалища, що просочився на поверхню, та очищення рідкої фази накопичувача. Для очищення фільтрату, що просочився на поверхню, запропоновано метод анаеробного зброджування. Побудовано математичну модель анаеробного процесу зброджування.

Запропоновано технологічну схему процесу очищення компонентів водної фази накопичувача. Для очищення від фенолів запропоновано сорбційний метод з використанням шарових подвійних гідроксидів, для нейтралізації заліза - осадження оксидом кальцію з подальшою засипкою накопичувача металургійними шлаками. Досліджено процеси сорбції та осадження, розраховано співвідношення і кількість необхідних компонентів. Розраховано економічний збиток, заподіяний водним об'єктам скиданням неочищеного фільтрату звалища ТПВ м. Маріуполь.

Термін окупності станції анаеробної очищення фільтрату, що просочився на поверхню, становить близько 2 років.

Ключові слова: екологічна безпека, звалище твердих побутових відходів, фільтрат, технологія, мікроорганізми, математична модель, анаеробне зброджування.

АННОТАЦИЯ

Михайленко В.В. Повышение экологической безопасности водных объектов в зоне влияния свалки твердых бытовых отходов. - На правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. - Научно-исследовательское учреждение «Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем» и Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2016.

Работа посвящена исследованию влияния свалки твердых бытовых отходов (ТБО): состава отходов, химического и биологического состава фильтрата, подземных вод, фильтрата в накопителе, а также разработке технологии по предотвращению попадания загрязненного фильтрата в водные объекты.

Изучение размещенных на свалке отходов показало, что 37 % составляют пищевые отходы, 28 % - бумага и картон.

Исследования химического состава фильтрата выявили экстремально высокие превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) фенолов и солей железа: соответственно более чем в 40 и 3000 раз.

Фильтрат анализировался по биологическим показателям. Биологические исследования выявили превышения значений коли-индекса, общего микробного числа. Так, в одном литре исследуемого фильтрата было обнаружено 24000 КОЕ/л, относящихся к виду E. сoli. Общее количество микроорганизмов, содержащихся в загрязненном фильтрате, - 70000 КОЕ/л. Были обнаружены патогенные микроорганизмы, среди которых: Clostridium perfringens, Bacillus anthracis, Salmonella enterica, Staphylococcus aureus, Vibrio cholerae, Yersinia pestis. Также выявлены яйца гельминтов: Enterobius vermicularis, Ascaris lumbricoides, Diphyllobothrium latum, Ancilostoma duodunale, Echinococcus granulosus.

Исследование химического состава подземных вод подтвердило влияние фильтрата свалки ТБО на грунтовые воды. Высокие превышения ПДК наблюдали также для фенолов и солей железа: в 48 тыс. и 11 тыс. раз соответственно.

Изучены возможные источники заражения людей холерой, определена связь между источниками заражения и фильтратом свалки ТБО. Доказано влияние фильтрата свалки ТБО на заражение холерой реки Кальмиус и Азовского моря.

Проведено химическое и биологическое исследование песка пляжей г. Мариуполя с целью определения негативного влияния фильтрата свалки ТБО на водные объекты. Результаты химических и биологических исследований песка городских пляжей показали превышения нормативов ПДК химических веществ и гельминтологических показателей в устье реки Кальмиус.

Результаты химического анализа фильтрата свалки отличаются от состава фильтратов свалок Украины.

Экстремально высокие превышения ПДК по содержанию фенолов и железа обусловили поиск новых технологических решений.

Для предотвращения загрязнения водных объектов фильтратом свалки ТБО разработаны комплексные мероприятия. Они включают рекультивацию свалки, очистку фильтрата, просочившегося на поверхность, и фильтрата в накопителе.

Для очистки фильтрата, просочившегося на поверхность, предложен метод анаэробного сбраживания. Изучены процессы анаэробного сбраживания осадка фильтрата. Установлена оптимальная температура процесса 54-55 єС, когда конечное содержание гельминтов и энтеробактерий практически нулевое.

Определено, что изменение ХПК в ходе процесса и выделение газа прямо пропорциональны, титр энтеробактерий в процессе культивирования снижался с 5000 до 10 кл/мл. Установлено, что использование отъемно-доливного или непрерывного способов организации процесса наиболее эффективны.

Построена математическая модель анаэробного процесса сбраживания, рассчитаны кинетические параметры.

Разработана технологическая схема процесса нейтрализации компонентов водной фазы накопителя, включающая выравнивание его дна, засыпку нейтрализующего, адсорбирующего и придавливающего слоёв.

В качестве нейтрализующего компонента используется оксид кальция. Сорбентом являются слоистые двойные гидроксиды.

Изучена кинетика ионообменной сорбции фенолов на сорбентах различного состава, определены параметры процесса. Установлено, что скорость поглощения фенолов прямо пропорциональна их концентрациям и количеству сорбента. Реакция протекает в диффузионной области (Е = 29 кДж/моль).

Показана эффективность применения метода осаждения для удаления железа из фильтрата свалки ТБО. Определен оптимальный состав нейтрализующей смеси и количество её компонентов. Рассчитан экономический ущерб, наносимый фильтратом свалки ТБО водным объектам. Срок окупаемости внедряемой станции анаэробной очистки жидких стоков составит около 2 лет.