Технологические решения по минимизации негативного воздействия ионов тяжелых металлов в фильтрате полигонов твердых бытовых отходов

УДК 502

DOI: 10.24411/1728-323X-2019-17085

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО МИНИМИЗАЦИИ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ФИЛЬТРАТЕ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Н. А. Шредник, аспирант, М. В. Шершнева, д. т. н., проф., Н. А. Бабак, д. т. н., проф., А. Б. Бобровник, аспирант, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (ФГБОУ ВО ПГУПС), Санкт-Петербург, Россия

В статье рассмотрены геоэкозащитные технологические решения по минимизации негативного воздействия ионов тяжелых металлов как одного из основных видов загрязнителей, содержащихся в фильтрате полигонов твердых бытовых отходов. Данные технологические решения основаны на обнаруженных и доказанных на кафедре «Инженерная химия и естествознание» (ФГБОУ ВО ПГУПС) свойствах строительных материалов (магнезиальный камень, модифицированный магнезиальный камень, газобетонные блоки) и природных растворов (морская вода, природные воды сульфатного класса магниевой группы) к детоксикации ионов тяжелых металлов. Процесс такой детоксикации основан на связывании ионов тяжелых металлов (железо, кадмий, марганец, свинец, никель, медь и т.п.) в труднорастворимые безопасные соединения. Приведен спектр применения веществ с детоксикационными свойствами непосредственно на полигонах твердых бытовых отходов. Приведены формулы для расчета массы магнезиального камня и для расчета необходимого объема природного раствора в целях снижения концентрации ионов тяжелых металлов в грунте полигона. Показано, что газобетонные блоки также могут работать как геоэкоиндикато-ры ионов тяжелых металлов.

The article deals with geo-ecoprotective technological solutions for minimizing the negative impact of heavy metal ions, as one of the main types ofpollutants contained in the filtrate of municipal solid waste landfills. These technological solutions are based on the discovered at the Department of "Engineering chemistry and science" (Petersburg State Transport University) and proven properties of building materials (magnesia stone, modified magnesia stone, aerated concrete blocks) and natural solutions (sea water, natural sulphate waters of the magnesium group) to detoxify heavy metal ions. The process of such detoxification is based on the binding of heavy metal ions (iron, cadmium, manganese, lead, nickel, copper, etc.) into sparingly soluble safe compounds. The range of usage of the substances with detoxification properties directly at municipal solid waste landfills is given. The formulas for calculating the mass of magnesia stone and for calculating the required volume of natural solution in order to reduce the concentration of heavy metal ions in the soil of the landfill are also given in the article. It is shown that aerated concrete blocks can also work as geo-ecoindicators of heavy metal ions.

Ключевые слова: ионы тяжелых металлов, полигон твердых бытовых отходов, геоэкозащитные технологические решения, магнезиальный камень, природные растворы, газобетонные блоки, геоэкоиндикатор.

Keywords: heavy metal ions, solid waste landfill, geo-ecoprotective technological solutions, magnesia stone, natural solutions, aerated concrete blocks, geo-ecoindicator.

Особенностью любой урбанизированной территории является наличие в ее пределах как водных объектов, так и объектов захоронения ТБО, что негативно сказывается на состоянии гидросферы. Воздействие полигонов ТБО на водные ресурсы обусловлено образованием фильтрата, поступающего в водные объекты с подземным стоком и в результате поверхностного смыва. Особенностями фильтрационных вод полигонов захоронения ТБО являются:

— сложный химический состав, органической и неорганической природы, изменяющийся на каждом этапе жизненного цикла полигона;

— высокое содержание токсичных компонентов;

— присутствие в воде различных групп микроорганизмов, в том числе патогенных;

— значительное отличие от промышленных и муниципальных сточных вод.

На рассматриваемом полигоне ТБО (Ленинградская область) образуется несколько видов сточных вод.

Во-первых, на участках захоронения отходов в результате инфильтрации атмосферных осадков, выделения отжимной воды и биохимических процессов разложения отходов образуются фильтрационные воды.

Во-вторых, на территории хозяйственной зоны образуется поверхностный сток и хозяйственно-бытовые воды.

Поверхностные сточные воды (дождевые, талые, ин-фильтрационные) образуются при выпадении атмосферных осадков. Территория полигона ТБО относится к зоне избыточного увлажнения. Годовое количество осадков — 598 мм. Водоотводная канава для перехвата дождевых и паводковых вод организована по отдельным участкам вдоль границ территории складирования отходов на полигоне ТБО. Фильтрат от тела полигона образуется в течение всего года, так как в холодное время года таяние снега происходит за счет тепла, выделяемого при разложении органического вещества в толще свалочного тела. Сбор поверхностных и инфильт-рационных сточных вод производится песчано-гравийным дренажом по внутреннему периметру и частично обводными канавами вокруг территории полигона ТБО. Сточные воды самотеком поступают в подземную бетонную емкость, из которой по мере накопления используются для увлажнения складируемых отходов в противопожарных целях и для улучшения процесса уплотнения.

Компонентами жидкой фазы свалочного грунта являются органические вещества, хлориды, сульфаты, тяжелые

металлы и металлоиды, а также различные их производные (формы нахождения и миграции). В этой среде создаются наиболее благоприятные условия для перевода комплексных соединений с металлами, присутствующими в отходах, возможного перевода их в растворимые формы и миграции с водными потоками в окружающую среду.

Среди токсичных компонентов в фильтрате полигона ТБО можно выделить ионы тяжелых металлов, воздействие которых на живые системы крайне опасно.

На кафедре «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС было обнаружено, что некоторые строительные материалы способны к детоксика-ции ионов тяжелых металлов [1—6].

В частности, было обнаружено и доказано, что магнезиальный камень и газобетонные блоки связывают ионы тяжелых металлов (железо, кадмий, марганец, свинец, никель, медь и т.п.) в труднорастворимые безопасные соединения [7—11].

Морская вода и природные воды сульфатного класса магниевой группы обезвреживают ионы свинца. Кроме этого, газобетонные блоки могут окрашиваться в разные цвета при контакте с ионами меди, никеля, свинца и кадмия, т.е. идентифицировать их.

Спектр применения указанных веществ непосредственно на полигонах ТБО может заключаться в следующем:

— добавлять магнезиальный камень в изолирующий грунт при промежуточной (послойной) изоляции;

— орошать природными растворами изолирующий грунт при промежуточной (послойной) изоляции;

— добавлять в дренаж магнезиальный камень в системе песчано-гравийного дренажа для очистки фильтрата;

— укладывать газобетонные блоки для очистки и идентификации ионов тяжелых металлов в водоотводных лотках;

— укладывать газобетонные блоки для очистки и идентификации ионов тяжелых металлов в водоотводной канаве;

— укладывать газобетонные блоки для очистки и идентификации ионов тяжелых металлов при устройстве пруда-накопителя.

Масса магнезиального камня для снижения концентрации ионов тяжелых м еталлов на 1 ПДК в грунте полигона может быть рассчитана по формуле 1:

т =

ПДК • тп

где т — масса магнезиального камня, г; ПДК — предельно допустимая концентрация ИТМ, мг/кг; т^ — масса грунта, кг; а — геоэкозащитная емкость магнезиального камня, мг/г.

Однако формула 1 не показывает массу магнезиального камня применительно к площадям загрязненного грунта. Как правило, при обработке или очистке загрязненного грунта необходима информация о количестве средств защиты на единицу площади. Учет этого обстоятельства может быть осуществлен за счет использования величин плотности грунта (р, кг/м3) и глубины загрязнения (И, м). В этом случае масса 1 м2 грунта может быть выражена по формуле 2, а масса магнезиального камня — по формуле 3:

тг = р - И, кг/м2,

т

= ПДК•р • И

, г/м2.

Необходимый объем природного раствора для снижения на 1 ПДК рассчитывается по формуле 4:

V =

= ПДК

МЭ 2+ • н

РЬ2+

, л/кг,

где V — необходимый объем природного раствора, л; ПДК — предельно допустимая концентрация ионов свинца, г/кг; МЭр^2+ — моль-эквивалентная масса ионов свинца, г/моль-эквивалент; Н — нормальная концентрация природного раствора, рассчитанная на активную составляющую раствора, моль-эквивалент/л.

Суть использования газобетонных блоков как геоэкоиндикаторов ионов тяжелых металлов состоит в том, что по площади поверхности блока происходит изменение цвета в результате само-

Рис. Появление цвета на поверхности газобетона

стоятельного поглощения цветных ионов тяжелых металлов из грунтовой влаги или сточных вод. Проявление определенного цвета информирует о загрязнении почв и грунтов конкретными тяжелыми металлами, являющимися загрязнителями, что позволяет проводить мониторинг уровня загрязнения грунтов и сточных вод (рисунок).

Таким образом, магнезиальный камень (и его модификации), природные растворы и газобетонные блоки могут служить основой для создания геоэкозащитных технологических решений для обезвреживания, идентификации и количественного мониторинга некоторых ионов тяжелых металлов.

Библиографический список

1. Масленникова Л. Л., Шершнева М. В., Бабак Н. А., Бухарина Д. Н. Технология утилизации осадка природных вод // Экология урбанизированных территорий. 2008. № 3. С. 82—85.

2. Масленникова Л. Л., Бабак Н. А., Славина А. М. Геоэкологические решения по созданию эффективной строительной керамики на базе техногенного силикатного сырья // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2010. № 2. с. 220—230.

3. Бабак Н. А., Масленникова Л. Л., Мархель Н. В. Термодинамический подход к оценке использования промышленных минеральных отходов // Естественные и технические науки. 2012. № 6. С. 85—87.

4. Бабак Н. А., Масленникова Л. Л., Славина А. М. Использование промышленных отходов при производстве жаростойких бетонов // Экология урбанизированных территорий. 2009. № 1. С. 72—75.

5. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Русанова Е. В., Савельева М. Ю. Геоэкозащитные свойства технологических решений в транспортном строительстве от воздействия органических загрязнений // Естественные и технические науки. 2015. № 11 (89). С. 304—306.

6. Шершнева М. В. Научные основы технологий утилизации силикатсодержащих отходов / дисс. на соискание степени д. т. н. / СПб.: 2009. — 304 с.

7. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Латутова М. Н., Сычева А. М., Кондратов А. А., Савельева М. Ю. Инженерно-химические основы геозащиты природно-техногенных систем // Транспортное строительство. 2012. № 12. С. 20—21.

8. Сычева А. М., Хитров А. В., Шершнева М. В., Русанова Е. В. Золопенобетон с использованием золы осадка сточных вод // Цемент и его применение. 2006. № 3. С. 64.

9. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Байдарашвили М. М. и др. Геоэкозащитные свойства строительных систем на основе минеральных вяжущих / СПб.: ПГУПС, 2016.

10. Дробышев Д. И., Филатов И. П., Хитров А. В., Шершнева М. В. и др. Инженерно-химические основы получения резательных пеноавтоклавных изделий и их геозащитные свойства / СПб.: ПГУПС, 2009.

11. Сватовская Л. Б., Шершнева М. В., Байдарашвили М. М. Эко- и геоэкозащита природно-техногенных систем. Теория и практика. / СПб.: ПГУПС, 2016.

TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR MINIMIZING THE NEGATIVE EFFECTS OF HEAVY METAL IONS IN THE FILTRATE OF MUNICIPAL SOLID WASTE LANDFILLS

N. A. Shrednik, Postgraduate;

M. V. Shershneva, Ph. D. (Engineering), Dr. Habil., Professor;

N. A. Babak, Ph. D. (Engineering), Dr. Habil., Professor;

A. B. Bobrovnik, Postgraduate.

Petersburg State Transport University, Department "Engineering chemistry and science", Sankt-Peterburg, Russia References

1. Maslennikova L. L., Shershneva M. V., Babak N. A., Bukharina D. N. Tekhnologiya utilizaczii osadka prirodny'kh vod. [The technology of sewage sludge utilization/. E'kologiya urbanizirovanny'kh territory. [Ecology of urban areas]. 2008. No. 3. P. 82—85 [in Russian].

2. Maslennikova L. L., Babak N. A., Slavina A. M. Geoekologicheskie resheniya po sozdaniyu effektivnoj stroitel'noj keramiki na baze tekhnogennogo silikatnogo syr'ya. [Geoecological solutions for creating efficient building ceramics based on techno-genic silicate raw materials]. Izzvestiya Peterburgskogo universiteta putej soobshcheniya. [Proceedings of the Petersburg State Transport University]. 2010. No. 2. P. 220—230 [in Russian].

3. Babak N. A., Maslennikova L. L., Markhel' N. V. Termodinamicheskij podhod k ocenke ispol'zovaniya promyshlennyh min-eral'nyh othodov. [Thermodynamic approach to the evaluation of the usage of industrial mineral waste]. Estestvennye i tekhnicheskie nauki. [Natural and Technical Sciences]. 2012. No. 6. P. 85—87 [in Russian].

4. Babak N. A., Maslennikova L. L., Slavina A. M. Ispol'zovanie promyshlennyh othodov pri proizvodstve zharostojkih betonov. [The usage of industrial waste in the production of heat-resistant concrete]. Ekologiya urbanizirovannyh territorij. [Ecology of urban areas]. 2009. No. 1. P. 72—75 [in Russian].

5. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Rusanova E. V., Savel'eva M. U. Geoe'kozashhitny'e svojstva tekhnologicheskikh reshenij v transportnom stroitel'stve ot vozdejstviya organicheskikh zagryaznenij. [Geo-ecoprotective properties of technological solutions in transport construction against the effects of organic pollution/. Estestvenny'e i tekhnicheskie nauki. [Natural and Technical Sciences]. 2015. No. 11 (89). P. 304—306 [in Russian].

6. Shershneva M. V. Nauchny'e osnovy' tekhnologij utilizaczii silikatsoderzhashhikh otkhodov [Scientific fundamentals of technologies for the utilization of silicate-containing waste]. Diss. na soiskanie stepeni d. t. n. [Thesis for Ph. D.]. SPb.: 2009. 304 p. [in Russian].

7. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Latutova M. N., Sy'cheva A. M., Kondrashov A. A., Savel'eva M. U. Inzhenerno-khimicheskie osnovy' geozashhity' prirodno-tekhnogenny'kh system. [Engineering and chemical fundamentals of natural and man-made systems' geoprotection]. Transportnoe stroitel'stvo. [Transport construction]. 2012. No. 12. P. 20—21. [in Russian]

8. Sy'cheva A. M., Khitrov A. V., Shershneva M. V., Rusanova E. V. Zolopenobeton s ispol'zovaniem zoly' osadka stochny'kh vod. [The usage of ash sewage sludge for ash aerated concrete]. Czement i egoprimenenie. [Cement and its application]. 2006. No. 3. P. 64 [in Russian].

9. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Baidarashvili M. M. et al. Geoe'kozashhitny'e svojstva stroitel'ny'kh sistem na osnove mineral'ny'kh vyazhushhikh. [Geo-ecoprotective properties of building systems based on mineral binders]. SPb., PGUPS, 2016 [in Russian].

10. Droby'shev D. I., Filatov I. P., Khitrov A. V., Shershneva M. V. et al. Inzhenerno-khimicheskie osnovy' polucheniya reza-tel'ny'kh penoavtoklavny'kh izdelij i ikh geozashhitny'e svojstva. [Engineering and chemical fundamentals of obtaining cutting foam-autoclaved products and their geo-protective properties]. SPb., PGUPS, 2009 [in Russian].

11. Svatovskaya L. B., Shershneva M. V., Baidarashvili M. M. E'ko- i geoe'kozashhita prirodno-tekhnogenny'kh sistem. Teoriya i praktika. [Eco- and geoecoprotection of natural and man-made systems. Theory and practice]. SPb., PGUPS, 2016 [in Russian].