Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения, проживающего на территориях, прилегающих к полигонам захоронения твердых бытовых отходов (ТБО), является одной из крупных нерешенных санитарно-гигиенических и социальных проблем.
На полигонах ТБО в течение длительного времени протекают сложные многостадийные процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями биогаза, образованием фильтрационных вод, загрязнением почв токсичными органическими и неорганическими примесями Н.В. Русаков, 1994-2009; Н.Ф. Абрамов, 1998; Я.И. Вайсман, 2001; В.Н. Коротаев,2001; P.Brunner,1995; M. Barlaz, 1990; R. Ham,1989. Складирование отходов коммунального хозяйства, медицинских учреждений создает эпидемиологическую опасность объектов захоронения.
Применяемые в настоящее время технологии депонирования ТБО не гарантируют необходимый уровень санитарно-гигиенической безопасности полигонов для населения прилегающих территорий и объектов окружающей среды. Эффективное управление санитарной ситуацией на полигонах ТБО и прилегающих территориях, проведение оптимальных инженерных мероприятий, направленных на снижение нагрузки на население и окружающую среду возможно при получении адекватной информации о состоянии этих объектов и принятия необходимых управленческих воздействий.
В целях обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия населения, устранения вредного влияния среды обитания человека на его здоровье в России с 1994 г. проводится социально-гигиенический мониторинг (СГМ), сбор и анализ данных о состоянии окружающей среды и ее влияния на здоровье и санитарные условия жизни населения. Основные принципы и методические подходы по реализации СГМ разработаны достаточно полно (Г.Г. Онищенко, 2000-2009; А.И. Потапов и соавт., 1995-2002; Ю.А. Рахманин, 2007; Н.В. Зайцева и соавт., 1994-2009 и др.). Вместе с тем, как свидетельствует санитарная практика и результаты исследований Н.В. Русакова, 1995-2009; Н.Ф. Абрамова, 2002; Я.И.Вайсмана, 1999-2003; А.П. Щербо, 1999; А.С. Матросова А.С., 2006, и др., вопросы организации наблюдений и контроля санитарно-гигиенической ситуации на полигонах ТБО и в зонах их влияния разработаны недостаточно. Используемая в настоящее время в практике ведения СГМ полигонов захоронения ТБО и зон их возможного влияния методическая база не позволяет в полной мере учитывать их специфические особенности как объектов повышенной санитарной опасности с меняющимся во времени комплексным загрязняющим воздействием на различных этапах их жизненного цикла. Недостаточно полно используются современные информационные технологии, позволяющие в частности на основе создания информационно-аналитических систем (ИАС) получать адекватную информацию в ходе ведения СГМ для повышения эффективности надзорной деятельности. В этой связи актуальна проблема разработки системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО, основанная на современных методических подходах и учитывающая специфические особенности этих объектов.
Решение проблемы сдерживает отсутствие адекватных методических подходов к комплексной санитарно-гигиенической оценке воздействия полигонов ТБО на объекты окружающей среды, а также результатов репрезентативных исследований их состояния по физико-химическим и микробиологическим показателям с учетом этапов жизненного цикла.
Отличительными особенностями функционирования полигона ТБО являются длительность его жизненного цикла и изменение количественных и качественных характеристик эмиссий загрязняющих веществ в процессе деструкции отходов и ассимиляции получаемых при этом конечных продуктов в окружающей среде. С учетом этого санитарно-гигиенический мониторинг должен базироваться с одной стороны на регулярных аналитических исследованиях объектов окружающей среды в зоне влияния полигона, с другой стороны – на прогнозных оценках изменения объема и состава эмиссий загрязняющих веществ. Применяемые в настоящее время методики расчета эмиссий биогаза, объема и состава образующихся фильтрационных вод не учитывают стадии жизненного цикла полигона ТБО, биохимические механизмы деструкции отходов и часто не адекватны реальным условиям.
Учитывая большой массив накапливаемой информации при проведении санитарно-гигиенического мониторинга, целесообразна разработка информационно-аналитической системы (ИАС), обеспечивающая сбор, обработку, накопление и анализ результатов наблюдений, как важного инструмента эффективного в надзорной деятельности и при научном анализе факторов среды обитания, могущих влиять на здоровье и санитарные условия жизни населения.
На основе результатов мониторинговых исследований разрабатываются инженерные, организационные и профилактические мероприятия, направленные на обеспечение санитарно-гигиенической безопасности объекта и прилегающих территорий. В связи с этим актуально решение задачи обоснования принципов безопасного захоронения отходов и разработки критериев выбора оптимального комплекса инженерных и технических мероприятий по обеспечению гигиенических нормативов в зоне воздействия полигонов ТБО.
Диссертационная работа посвящена решению санитарно-гигиенических задач – разработке системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО, оценке санитарно-гигиенической эффективности организационных, инженерных и технических мероприятий по снижению негативного воздействия полигона на объекты окружающей среды и население: обезвреживанию и утилизации биогаза, очистке фильтрационных вод, снижению эпидемиологической опасности полигонов, а также управлению потоками медицинских отходов как одних из наиболее опасных в эпидемиологическом отношении.
Работа базируется на исследованиях процессов деструкции ТБО, образовании биогаза и фильтрационных вод, проведенных специалистами Венского технического университета (P.Brunner, N. Mache), агентства по охране окружающей среды США (M. Barlaz, R. Ham, H. Belevi, P. Baccini), Академии коммунального хозяйства (Н.Ф. Абрамов, А.С. Матросов и др.), кафедры охраны окружающей среды ПермГТУ (Я.И. Вайсман, В.Н. Коротаев, Л.В. Рудакова, И.С. Глушанкова, М.А. Тагилов), данных мониторинговых исследований воздействия полигонов ТБО на окружающую среду и население, анализе используемых в отечественной и зарубежной практике управления отходами систем мониторинга (А.С. Матросов, M. Barlaz), нормативно-методической документации по контролю объектов окружающей среды, а также собственных исследований, проведенных в 20012009 г.г.
Объект исследований. Полигоны захоронения ТБО крупных городов и малых населенных пунктов, находящиеся на различных этапах жизненного цикла (эксплуатационный, рекультивационный, пострекультивационный активный, пострекультивационный пассивный и пострекультивационный стабилизационный): полигоны ТБО Пермского края (г.Чусовой, г. Полазна, д.Страшная гора) и действующая и рекультивированная территории полигона захоронения ТБО г. Перми «Софроны».
Предмет исследования: источники воздействия полигона ТБО на объекты окружающей среды (складируемые отходы, биогаз, фильтрационные воды; функциональные структуры микробных популяций депонированных ТБО, фильтрационных вод и донных отложений наземных скоплений фильтрата, деструктирующих органические фракции ТБО); организационные и инженерно-технические мероприятия, направленные на минимизацию воздействия полигонов ТБО на окружающую среду и население; информационные системы сбора и обработки результатов наблюдений.
Цель работы: разработка системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО с учетом этапов жизненного цикла и обоснование оптимального комплекса инженерных и технических мероприятий, направленных на обеспечение соблюдения санитарно-гигиенических нормативов в зоне потенциального воздействия объектов захоронения, что позволяет исключить неблагоприятное воздействие на здоровье и санитарные условия жизни населения, проживающего на прилегающих территориях.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Провести теоретический анализ процессов деструкции ТБО, формирования эмиссий загрязнений и их воздействий на объекты окружающей среды (атмосферный воздух, объекты гидросферы, почвы) в зоне влияния полигона ТБО.
-
На примере исследования полигонов ТБО г.Перми и Пермского края оценить санитарно-гигиеническое состояние полигонов с учетом этапов жизненного цикла, установить перечень приоритетных показателей для выявления воздействия полигонов на объекты окружающей среды и санитарно-гигиеническое состояние прилегающих территорий.
-
Исследовать структуру микробиоценозов, соответствующих этапам жизненного цикла полигона ТБО, и выявить приоритетные микробиологические показатели оценки санитарно-гигиенического состояния объектов депонирования ТБО.
-
Разработать математические модели формирования эмиссий загрязняющих веществ на полигоне ТБО и методики их использования для диагностики и прогнозирования санитарно-гигиенической ситуации на полигонах ТБО и обоснования параметрического прогнозного мониторинга объекта.
-
Обосновать выбор оптимального комплекса организационных, инженерных и технических решений, направленных на снижение санитарно-гигиенической опасности полигонов и прилегающих территорий, и разработать критерии оценки их эффективности: противофильтрационная защита тела полигона, очистка фильтрационных вод, очистка биогаза от одорантов, снижение эпидемиологической опасности.
-
На основании проведенных исследований разработать научно-методические основы организации санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО с учетом этапов жизненного цикла.
-
Разработать информационно-аналитическую систему санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке научно-методических основ организации и проведения санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО с учетом этапов жизненного цикла, создании диагностического и текущего мониторинга полигонов ТБО, разработке критериев оценки выбора оптимального комплекса инженерных и технических мероприятий по обеспечению гигиенических нормативов в зоне воздействия полигонов ТБО.
Научная новизна и теоретическая значимость работы.
Сформулированные задачи по санитарно-гигиенической оценке полигонов захоронения ТБО и зон их возможного негативного воздействия применительно к ведению санитарно-гигиенического мониторинга решались впервые. Полученные результаты способствовали усилению теоретических и методических основ ведения СГМ в этой специфической недостаточно изученной области.
Установлены закономерности формирования эмиссий загрязняющих веществ, обусловливающих санитарно-гигиеническую опасность полигонов захоронения ТБО на этапах жизненного цикла; определены приоритетные показатели для оценки воздействия полигонов на объекты окружающей среды.
Выявлены условно-патогенные и патогенные виды микроорганизмов в депонированных отходах, ФВ, формирующемся свалочном грунте, а также снеговом покрове, поверхностных водоисточниках в зоне влияния полигона. Доказано отсутствие патогенной и условно-патогенной микрофлоры за исключением споровых форм (Cl. perfringens) в свалочных грунтах, сформировавшихся в течение 25 лет после закрытия полигона.
Определен качественный и количественный состав микроорганизмов, деструктирующих органические вещества, содержащиеся в массиве отходов на разных этапах его жизненного цикла. На аэробной стадии и стадии гидролиза деструкцию осуществляют бактерии родов Pseudomonas, Bacterium, грибы родов Mortierella, Mycogone и актиномицеты рода Actinomyces. На стадиях ацетогенеза и активного метаногенеза в структуре микробиоценоза преобладают бактерии родов Clostridium, Pseudomonas, Bacillus, Methanobacterium. На стадии стабильного метаногенеза микробиоценоз формируют бактерии родов Bacillus, Desulfovibrio, Methanobacterium, Methanococcus. На этапе рекультивации микробиоценоз представлен актиномицетами рода Actinomyces, грибами родов Penicillium, Mycogone, род Cytophaga и азотфиксирующими микроорганизмами рода Azotobacter.
На основе разработанной биохимической модели деструкции отходов и имитационного анализа водного баланса полигона ТБО построены математические модели формирования эмиссий (биогаза и фильтрационных вод), позволяющие прогнозировать санитарное состояние полигонов ТБО на этапах жизненного цикла и разработать в разделе диагностического санитарно-гигиенического мониторинга параметрический прогнозный блок.
Разработаны методологические подходы к обоснованию и внедрению оптимального комплекса мероприятий по обеспечению санитарно-гигиенической безопасности полигонов ТБО, основанные на принципе многобарьерной защиты, включающем управление качеством и количеством отходов, поступающих на захоронение, и потоками эмиссий (дегазация тела полигона; отведение и очистка ФВ)
В соответствии с положениями о проведении социально-гигиенического мониторинга впервые разработаны система санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО, программы наблюдений и контроля объектов окружающей среды в зоне влияния полигонов ТБО с учетом этапов жизненного цикла и мощности объекта.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается применением современных методов анализа и обработки результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований; использованием общепринятых методик химического и микро-биологического анализа эмиссий, свалочного грунта, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха; положительным опытом реализации предложенных решений на полигонах ТБО Пермского края.
Практическая значимость и внедрение результатов исследования.
Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработке системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО и рекомендаций по его проведению.
Представлены программы проведения санитарно-гигиенического мониторинга атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, растительного покрова, почв на различных этапах эксплуатации полигона ТБО, обоснованы приоритетные показатели для контроля санитарной ситуации на полигоне с учетом этапов жизненного цикла.
Разработаны методики использования математических моделей формирования водного баланса полигона и эмиссий загрязняющих веществ для расчета объема образующихся фильтрационных вод на различных этапах эксплуатации, объема и скорости выделений биогаза, прогноза химического состава фильтрационных вод с целью проведения диагностического мониторинга полигонов ТБО.
По материалам исследований разработаны следующие нормативно-методические документы:
Санитарно-гигиеническая оценка депонированных отходов, эмиссий полигона (фильтрационных вод, биогаза) и техногенных грунтов, образующихся при разложении ТБО на различных этапах жизненного цикла, 2003
Рекомендации по сбору, очистке и отведению сточных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, 2003.
Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронения твердых бытовых отходов, 2003
Рекомендации по выбору систем дегазации и разработке технологий очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, 2004
Рекомендации по организации экологического мониторинга и производственного экологического контроля полигонов захоронения твердых бытовых и промышленных отходов, 2005.
Результаты исследований внедрены в практику при разработке проектов санитарной очистки и норм образования ТБО в г. Перми; выбора и обоснования мест размещения и проектирования, разработке программ проведения санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО г.Чусовой, г. Звездный, г. Кунгур.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
На основании комплексных исследований влияния полигонов ТБО на объекты окружающей среды (на примере полигонов ТБО Пермского края) представлена санитарно-гигиеническая оценка состояния полигонов ТБО с учетом этапов жизненного цикла.
-
Математические модели процессов формирования эмиссий загрязняющих веществ, позволяющие прогнозировать санитарно-гигиеническую ситуацию на полигоне ТБО и обосновать выбор показателей контроля при проведении санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО на различных этапах жизненного цикла.
-
Методические подходы по выбору комплекса инженерных и технических мероприятий по обеспечению гигиенических нормативов в зоне воздействия полигонов ТБО с учетом этапов жизненного цикла полигона ТБО.
-
Научно-методические принципы и методологические основы организации системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов захоронения ТБО с учетом этапа жизненного цикла.
-
Информационно-аналитическая система санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО.
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» на кафедре охраны окружающей среды.
Личный вклад автора. Автор сформулировал идею выполнения комплексных научных исследований по актуальной гигиенической и социальной проблеме - созданию системы санитарно-гигиенического мониторинга полигонов ТБО; разработана программа, обоснованы направления, методические подходы, объекты, объёмы исследований. Доля личного участия автора в получении и накоплении научной информации составляет 85%. Обобщение, анализ, интерпретация материалов полностью проведены автором.
Апробация работы.
Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на II международном конгрессе по управлению отходами "Вейстэк - 2001", (Москва, 2001 г.), "Вейстэк - 2007",(Москва, 2007 г.), международном конгрессе «Вода: экология и технология «ЭКВАТЭК – 2002» (Москва, 2002 г.), «ЭКВАТЭК – 2006» (Москва), ХХХ научно-технической Всероссийской конференции АДФ ПермГТУ (Пермь, 2003), международной конференции «Экологическая безопасность урбанизированных территорий (Москва, 2005), 3 Межрегиональной практической конференции «Социально-гигиенические и эпидемиологические проблемы сохранения и восстановления здоровья военнослужащих и населения» (Н.Новгород, 2006).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 39 научных трудов, в том числе 3 монографии, 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК («Пермский медицинский журнал», 2005,2006, 2008, «Наука - производству», 2006, «Дезинфекционное дело», 2009, «Гигиена и санитария», 2010, «Здоровье населения и среда обитания», 2007, Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2005).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы из 279 ист., в том числе 108 публикаций иностранных авторов, изложена на 310 стр. машинописного текста. Работа содержит 81 таблицу, 44 рис. и приложения.
