СПОСОБ ОБСЛЕДОВАНИЯ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
METHOD FOR EXAMINATION OF SOLID WASTES POLYGONS

Предложенное техническое решении относится к области охраны окружающей среды, в частности к способам уменьшения загрязнения атмосферы в местах образования необустроенных свалок бытовых и промышленных отходов и прилегающих территорий, и может быть использовано при реализации природазащитных и природоохранных мероприятий и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду при ликвидации необустроенных свалок твердых бытовых отходов (ТБО) и промышленных отходов, образовавшихся на поверхности земли в результате антропогенной деятельности.
2
В настоящее время площадь мусорных свалок (в дальнейшем полигонов) в России, даже без учета нелегальных свалок, составляет более 4 миллионов гектаров. Эти свалки (полигоны) за год выделяют в атмосферу 1,5 миллионов тонн метана, 21,5 миллионов тон CO, а также аммиак, сероводород, хлориды, фториды, летучие органические соединения. Жить при таких условиях просто невозможно. Комплексный мониторинг эмиссии биогазов на территории полигонов ТБО является первоочередной задачей, в целях экологической безопасности, так как в настоящее время они оказались в черте больших городов и населенных пунктов. Жизненно необходимо находить эффективные и обоснованные мероприятия по дегазации и обустройству необходимых инженерных сооружений на полигонах. Но при этом необходимо учитывать и то, что с другой стороны, сбор и утилизация указанных газов на полигонах является быстро развевающейся и очень перспективной отраслью региональной экономики.
Целью всех существующих на сегодняшний день способов обследования полигонов ТБО и промышленных отходов является определение качественных и количественных характеристик состояния исследуемого полигона.
Как правило наземное обследования полигона проводят с помощью приборов, на предмет наличия высококонцентрированных зон эмиссии метана, так как этот газ является наиболее ядовитым, пожароопасным и взрывоопасным. Обследования проводят по месту ручными приборами (например, газоанализатор ФП11.2К.) Известные способы не эффективны, так как территории полигонов огромны, времени на такое обследование уходит много, а точность определения не высока так как практически не возможно обеспечить полное покрытие площади полигона при обследовании, фиксировать точные координаты мест повышенной эмиссии биогаза, а все это не исключает пропуск мест с повышенной концентрацией биогаза, особенно при чрезвычайных ситуациях объективного характера. Помимо описанного наземного обследования полигонов ручными приборами, при необходимости проводят георадиолокационные обследования полигонов, с определением следующих характеристик слоев полигона:
- количество техногенных слоев;
- их толщины и границы;
- плотность
- увлажненность слоев
- наличие пустот;
- ж/бетонных, металлических и других включений.
Известен «Способ защиты окружающей среды от загрязнения бытовыми и промышленными отходами.» Патент №2294245 Российской Федерации, МПК ВО9В 1/00 заявл. 11.07.2005 г, опубл. 27.02.2007 г, Бюл. №6.
Известный способ включает удаление твердых бытовых отходов с территории необустроенного полигона при помощи мусоровозов. До начала процесса удаления твердых отходов проводиться предварительное наземное обследование прилегающей к полигону территории и определение характера и степени ее загрязнения. При этом сам полигон не подвергается обследованию. Не зная ситуацию на самом полигоне и начав при этом вывоз мусора мусоровозами, можно спровоцировать чрезвычайную ситуацию объективного характера на полигоне, требующую принятия незамедлительных мер. На основание сказанного выше можно сделать вывод, что известный способ не эффективен и очень опасен особенно в черте городов и населенных пунктов.
Аналогом предложенного способом может служить «Способ защиты окружающей среды от загрязнения твердыми бытовыми отходами» Патент №2372154 Российской Федерации, МПК ВО9В 1/00 заявл. 11.03.2008 г. опубл. 10.11.2009 г. Бюл. №31
Известный способ заключается в том, что в начале осуществляют предварительное наземное обследование территории необустроенного полигона (свалки). Определяют характер и степень загрязнения самого полигона и только после этого приступают к организационно-техническим и инженерно-строительным работам. Как правило, такое предварительное обследование территории полигона ведут по месту самого полигона, используя при этом, например, ручной прибор Газоанализатор ФП11.2К. Известный способ менее опасен, чем описанный выше, однако также не эффективен, т.к. точность определения высококонцентрированных зон эмиссии биогаза не велика. При проведении замеров не обеспечивается полное покрытие площади полигона, нет возможности фиксировать точные координаты эмиссии биогаза.
Прототипом предложенного способа может быть способ на базе которого работает «Мобильный комплекс для обследования полигонов ТБО», созданный специалистами ПЕРГАМ (смотри статью от 27.03.2018 года https:ww.pergam.ru/news/tbo.htm). Согласно известному способу, перед проведением комплекса организационно-технических и инженерно-строительных работ на полигоне, проводят предварительное обследование полигона. Причем предварительное обследование полигона осуществляют как наземное, так и воздушное, используя для этого гексакоптер с установленными на нем газоанализатором и тепловизором. Гексакоптер с газоанализатором обследуют территорию ТБО и выявляет места утечек газов, содержащих метан. В процессе обследования фиксируют: скорость ветра и его направление, атмосферное давление и температуру, GPS координаты утечек и концентрации выходящего биогаза. Далее по узловым точкам проводят тепловизионное обследование при помощи гексакоптера и установленного на борту тепловизора с высоким разрешением. Полученные данные обрабатывают. Обнаруженные зоны эмиссии метана подтверждают по месту ручным портативным газоанализатором и специальным тепловизером, предназначенным для обнаружения и визуализации утечек газов. Составляют кару эмиссии метана, которую наносят поверх план-схемы полигона.
Известный способ более эффективен, т.к. скорость обследования полигонов увеличивается в разы. Однако точность его, как и предыдущих способов, также не велика. Гексакоптер с измерительными приборами летит над полигоном хаотично, следовательно, велика вероятность пропуска высококонцентрированных зон эмиссии биогаза. Кроме того, не определимы порядок и последовательность инструментального обследования. Так при поднятии гексакоптера выше 30 метров утечки могут быть не обнаружены, т.к. дальность обнаружения утечек для газоанализатора составляет всего 30 метров.
Таким образом можно сделать вывод, что известный способ имеет ряд недостатков:
- не обеспечивает покрытие сканированием всей площади полигона;
- не обеспечивает сканирование площади откосов полигона, что не исключает возможность пропуска мест с повышенной концентрацией биогаза;
- нет возможности создать подробную карту распределения концентраций выбросов и определить конкретные зоны и участки с повышенной эмиссией биогаза;
- нет возможности прогнозирования состояния полигона.
Предложенный способ направлен на устранение указанных недостатков
Технический результат получаемый от внедрения предложенного способа заключается в следующих:
- обеспечивается достоверность и точность полученных данных,
- обеспечивается высокая информативность;
- обеспечивается высокая производительность от 2-х до 5 дней
Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого способа достигается тем, что реализуют признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным способом, и заключающиеся в том, что прежде чем начать необходимые организационно-технические и инженерно-строительные работы на полигоне твердых бытовых отходов, проводят предварительное обследование самого полигона для того, чтобы выявить наиболее высококонцентрированные зоны эмиссии вредного и опасного биогаза.
Предварительное обследование полигона ведут в двух направлениях:
с воздуха - воздушное обследование;
и с земли - наземное обследование.
Воздушное обследование осуществляют транспортным средством. При этом транспортное средство снабжают измерительными приборами, такими как газоонализатор и тепловизор с высоким разрешением. Газоанализатор в свою очередь снабжен системой обнаружения зон эмиссии биогаза. Помимо этого, на транспортном средстве устанавливают прибор, позволяющий осуществлять синхронизацию координат транспортного средства с системой обнаружения измерительного прибора. Для предварительного воздушного обследования, запускают транспортное средство с измерительными приборами. Фиксируют во время движения транспортного средства зоны эмиссии биогаза, тепловое поле полигона, скорость ветра и его направление, атмосферное давление и температуру. Выявляют на полигоне места утечек биогаза. Фиксируют GPS координаты утечек и концентрацию выходящего биогаза. Полученные данные с приборов подвергают обработке, анализу и визуализации, используя специальное программное-обеспечение;
- LMm Process для PC (разработка Пергам-Инжиниринг)
Пост-обработка результатов измерений детектором утечек биогаза с привязкой к системе координат по GPS с нанесением данных на карту и возможностью проведения аппроксимирующего расчета по усредненным показателям с целью составления карты утечек и оценкой размеров эмиссий биогаза.
- ПО FLIR Tools + для PC
Редактирование радиометрических изображений для настройки уровня и диапазона, изменения палитры или корректирования параметров, например, излучения и отраженной температуры; Отображения сохраненной информации азимута и GPS.
Обнаруженные зоны эмиссии биогаза для уточнения подвергают по месту наземным обследованиям. Такие обследования проводят, например, ручным портативным газоанализатором и специальным тепловизором, предназначенным для обнаружения и визуализации утечек биогаза. После уточнения данных воздушного и наземного обследования составляют карту эмиссии биогаза, которую затем наносят поверх план-схемы полигона чтобы получить достоверную картину эмиссии биогазов на полигоне.
И новые признаки, составляющие предмет предложения, согласно которым перед проведением первого воздушного обследования транспортное средство снабжают системой навигации, что дает возможность управлять его движением. Формируют метрологическую модель полигона. Фиксируют все геодезические точки полигона и все предполагаемые точки загрязняющих выбросов, привязывают все точки к системе координат по GPS. Определяют перед провидением воздушного обследования; атмосферное давления, температуру воздуха, его скорость. Выбирают произвольно на полигоне точки старта и завершения маршрута движения транспортного средства. Привязывают выбранные точки с системе координат по GPS. На базе сформированной метрологической модели полигона и исходя из характеристик измерительных приборов, определяют порядок и последовательность воздушного обследования полигона и составляют маршрут движения транспортного средства. Затем проводят первое инструментальное воздушное обследование полигона. Запускают с точки старта транспортное средство по определенному ранее маршруту движения и производят фиксацию координат утечек биогаза и его концентрацию. По прибытии транспортного средства в точку завершения маршрута движения и завершения первого инструментального воздушного обследования полигона, и после наземных обследований полигона формируют табличную, сематическую, топографическую, геологическую, геонноформационную формы. По результатам первого обследования полигона, проводят коррекцию метрологической модели, получая статическую модель полигона. Повторяют процедуру обследования с получением статических моделей полигона. Из числа полученных статических моделей полигона выбирают ту модель, где выявлены более высоконцентрированные зоны эмиссии биогаза. Это выбранная статическая модель полигона и будет его динамической моделью, на базе которой формируют прогнозную модель полигона.
Предложенный способ осуществляют следующим образом. Пред проведением обследования полигона измеряют его ширину, длину, высоту, углы откосов и их высоты. Поскольку поверхность полигона не является абсолютно гладкой и ровной, то фиксируют положение ее наиболее высоких и наиболее низких точек, точек начала и окончания откосов. Т.е. формируют метрологическую модель полигона. Основные геодезические точки полигона фиксируют и привязывают их к системе координат по GPS. Точки предполагаемых выбросов также привязывают к системе координат по GPS. Затем непосредственно перед проведением обследования замеряют атмосферное давление, температуру воздуха, скорость и направление ветра. Все эти данные потребуются для программного обеспечения. Обследования полигона ведут последовательно. Вначале проводят воздушное обследование, используя любое транспортное средство, движением которого можно управлять, целесообразно для воздушного обследования полигона использовать в качестве транспортного средства беспилотные летательные аппараты (БППА) и снабжать их измерительными приборами, системой навигации и системой синхронизации координат транспортного средства с лазерной системой одного из измерительных приборов. В качестве такого измерительного прибора выбирают детектор утечек метана (например, LMM GREN), несущий зеленый лазерный целеуказатель и характеризующийся следующими параметрами:
Длина волны излучения лазера -1,65 мкм;
Мощность излучения лазера - 10 МВт;
Дальность обнаружения утечек до 30 метров;
Питания от съемного аккумулятора;
Напряжения питания - 5 В;
Емкость аккумулятора - 2700 ма*ч;
0
0
Диапазон рабочих температур - 10 С до + 40 С
Учитывая характеристики прибора и метрологическую модель полигона можно определить порядок и последовательность воздушного обследования полигона. Так для ТБО «Лесная» Сканированные с использованием газоанализатора (LMM GREN) необходимо выполнять в виде прямых пролетных линий с шагом 25 м между ними на высоте до 20 м от земли тем самым обеспечивается покрытие всей зоны сканирования и высокая чувствительность всей системы, что исключает возможность пропуска мест с повышенными концентрациями метана.
В качестве другого измерительного прибора на транспортном средстве используют тепловизор с высоким разрешением.
Прежде чем запустить транспортное средство и начать воздушное обследование полигона, необходима составить маршрут его движения. Для этого используют метрологическую модель полигона его зафиксированные геодезические точки и углы его откосов. Транспортное средство имеет возможность осуществлять движение не только по прямой, но и менять угол наклона, для того, чтобы обследовать откосы полигона.
Помимо измерительных приборов, на транспортном средстве устанавливают Loggen-прибор, который осуществляет обмен данными между детектором утечек метана и системой навигации транспортного средства. Детектор утечек метана LMM GREN и Logger- прибор составляют Систему обнаружения метана. Система устанавливается на транспортное средство стационарно таким образом, чтобы оптическая ось приемного канала LMM GREN была направлена в сторону обследуемого полигона, на котором предполагается проводить сканирование. Функциональная схема оптической системы LMM GREN приведена на чертеже (см. фиг. 1).
Излучение ДЛ (1) коллимируется объективом (2) и направляется на обследуемый полигон (3). Часть излучения, рассеянного полигоном (3), попадает на приемное зеркало (4) и фокусируется на приемник (ФП1), проходя через оптический фильтр (5). Перечисленные элементы образуют аналитический канал измерений. Аналоговые сигналы аналитического канала оцифровываются и обрабатываются электронным блоком Системы обнаружения (на чертеже не показан). Конечный результат вычислений записывается в накопитель информации для пост полевой обработки данных.
После составленного маршрута движения запускают по нему транспортное средство, и начинают проводить первое инструментальное воздушное обследование всей площади полигона, включая и площадь откосов, на предмет обнаружения утечек биогаза. В процессе воздушного обследования фиксируют скорость ветра, его направление, атмосферное давления и температуру. Выявляют на полигоне места утечек биогаза, фиксируют GPS координаты утечек и концентрацию выходящего биогаза, измеряют и регистрируют тепловое поле полигона. Полученные данные поступают в накопитель информации для постполевой обработки данных.
При обработке данных воздушного инструментального обследования используют известное программное обеспечение:
- LMm Process для PC (разработка Пергам-Инжиниринг)
- FLIR Ioolst для PC
По прибытии транспортного средства в точку завершения маршрута движения и завершения первого инструментального воздушного обследования полигона, приступают к обработке, анализу и визуализации данных, полученных с измерительных приборов, используя известные программные обеспечения. Затем приступают к первому наземному обследованию. Обнаруженные зоны эмиссии метана подтверждают по месту ручным портативным газоанализатором, специальным тепловизором, предназначенным для обнаружения и визуализации утечек газов (тепловизеонная камера FLIR Scc40, портативная ИК-камера (тепловизер) EyeCGas), георадаром (георадиолокация), используя при этом геофизический комплекс, с комплектами неэкранированных антенн «ЛОЗА-В». При обработке данных георадарной сьемки используют известное программное обеспечение ПО Силуэт и Krot-1405 1118.
После проведения первых воздушного и наземного обследований формируют табличную, сематическую, топографическую, геологическую геоинформационную формы. Уточняют карту эмиссии биогаза и наносят ее поверх план-схемы обследуемого полигона. Определяют характер и степень его загазованности. По результату первого обследования полигона проводят коррекцию исходной метрологической модели. Если на исходной метрологической модели мы имели предположительные точки загрязняющих выбросов, то после воздушного и наземного обследований, точно знаем координаты этих точек с привязкой их к системе координат по GPS и концентрацию выходящего биогаза. После коррекции исходной метрологической модели получаем статическую модель полигона. Поскольку в теле полигона все время идут химические процессы точки эмиссии биогаза и значения его концентраций могут меняться, процедуры обследования полигона повторяют с получением статических моделей. Процедуру обследования повторяют не менее двух раз. Максимальное число обследований не ограничено, все зависит от необходимой точности обследования. Из числа полученных статических моделей полигона, выбирают ту статическую модель, где выявлены более высококонцентрированные зоны эмиссии биогаза. Эта статическая модель полигона и будет его динамической моделью, на базе которой и формируют динамическую модель полигона.
Предложенный способ был реализован на ТБО «Лесная» в г. Серпухове. В качестве транспортного средства был использован беспилотный летательный аппарат (БПЛА DJI Matric 600 Pro), снабженный системой обнаружения метана (LMC), системой синхронизации координат транспортного средства с лазерной системой обнаружения метана и тепловизором с высоким разрешением.
БПЛА имел легкую конструкцию, выполненную в 6-винтовом исполнении из карбона и легких композитных матерьялов. Максимально взлетный вес 15,5 кг.
Точность позиционирования БПЛА (В режиме позиционирования, при работающей GPS)
±
±
По вертикали: 0,5 м, по горизонтали: 1,5 м
0/
0/
Макс. угловая скорость: Наклон-300с, Поворот-150с
0
Макс. угол наклона - 25
Макс. допустимая скорость ветра -8 м/с
Макс. скорость набора высоты - 5 м/с
Макс. скорость снижения - 3 м/с
Макс. скорость - 65 км/ч (без ветра)
Макс. высота полета над уровнем моря
С пропеллерами 2170R: 2500 м
С пропеллерами 2195:4500 м
Время полета (с 6 аккумуляторами TB47S) * Без груза: 32 мин, с грузом 6 кг: 16 мин
Время полета (с 6 аккумуляторами TB48S) * Без груза: 38 мин, с грузом 5,5 кг: 18 мин
*Время измерено при полете на высоте 10 м над уровнем моря в безветренную погоду с посадкой при 10% заряда батареи.
0
0
0
Диапазон рабочих температур -10…+40C (14…104F)
Согласно план-схеме объекта, был осуществлен анализ способа проведения полетов и составлен маршрут движения БПЛА. Так как БПЛА, ввиду лимита времени полета, не способен провести сканирование всей площади за раз. При больших площадях используют метод последовательного секторного сканирования с взлетом-посадкой БПЛА для замены аккумуляторных батарей. В процессе работ фиксировали метеоусловия:
- скорость ветра: юго-западный 1 м/с,
- атмосферное давления: 736 мм рт.ст;
0
- температура: +17С.
Начало обследования: 10 часов 00 мин. 15.05.19 года.
Сканирование с использованием приборов выполнялось в виде прямых пролетных линий с шагом 25 м между ними на высоте 20 м от земли. Тем самым обеспечивалось полное покрытие зоны сканирования и высокая чувствительность всего комплекса, что исключало возможность пропуска мест, с повышенными концентрациями метана. Обследование полигона с применением приборов проводилось 2 раза (см. приложения 1).
Полученные данные с приборов подлежали пост-обработке посредством использования наземной станции управления. На основании проанализированной информации о наличии высококонцентрированных зон эмиссии метана осуществляли их подтверждение по месту ручными приборами. Все полученные данные сводились в таблицы (см. приложение 1 стр. 1-13). Из приложения 1 видно, что карты с полигона, изображенные на фиг. 2 и фиг. 4, отображают статическую модель полигона, а на фиг. 3 и фиг. 5 - динамическую модель полигона.
Затем проводили аппроксимацию полученных данных о концентрации метана на разных участках, исходя из скорости и направления ветра. После этого составляли общую карту эмиссии метана, которая наносилась поверх план - схемы полигона ТБО «Лесная» (см. Приложение 2) Полученная карта (Приложение 2) отображает прогнозную модель полигона. Согласно полученным данным можно с уверенностью сказать о высокой фоновой концентрации метана по периметру полигона.
В процессе анализа данных было точно установлено, что большая часть площади полигона загазованная (подробнее см. карту концентраций (Приложение 2). Концентрация на разных участках колеблется от 500 до 3000 ppm*m, в зависимости от места сканирования. Исходя из показаний программы аппроксимации данных и визуальному осмотру карты утечек, можно сделать вывод, что на восточном крае полигона присутствует сильная загазованность по откосу. Помимо этого, на южной рабочей части полигона, где сейчас сваливается большая часть прибывающего мусора, также присутствует стабильное облако метана. Необходимо уделить особое внимание ярко красным зонам на карте концентраций (Приложение 2) - очевидно, что они могут являться одними из самых крупных источников загазованности.
Результаты от использования предложенного способа позволяют судить не только о настоящем полигона, но и прогнозировать его будущее.
Результаты проведенного комплексного обследования, включая карту распределения зон и концентрации выходящего биогаза, тепловизионную визуализацию этих процессов, а также весь массив данных, полученных в процессе обследования (250 замеров и др.) целесообразно взять за основу для организации постоянного мониторинга результатов рекультивации полигона.
В критических зонах, (на карте обозначена ярко-красным цветом, концентрация более 3000ppm*m) координаты которых точно определены, рекомендуется периодически, либо после проведения плановых рекультивационных работ, осуществлять замеры концентрации газа переносными приборами и фиксировать динамику изменений оформляя приложения к созданным картам.
Систематизированная информация инструментального мониторинга, характеристик полигона и информация о проводимых работах, позволит перейти к корректному и обоснованному прогнозированию или даже к компьютерному моделированию процессов в теле полигона.
Целесообразно через 0,5-1 год провести повторное комплексное обследование по упрощенной (целеориентированной) программе, что значительно сократит трудозатраты и, соответственно, стоимость обследования, но позволит подтвердить эффективность выполненных и откорректировать планируемые работы.
В зависимости от решаемых задач по рекультивации полигонов ТБО предложенный способ позволяет выявлять динамику изменения эмиссии биогазов, количество, границы, плотность и увлажненность техногенных слоев тела полигона, а по мере накопления данных обоснованно управлять рисками.
К достоинствам предложенного способа можно отнести:
- высокую производительность (от 2 до 5 дней) и технологичность базовых методов обследования;
- достаточно высокую надежность и четкость локализации источников повышенной эмиссии свалочных газов;
- непрерывность измерений;
- сравнительно невысокую стоимость обследования.
Результаты инструментального контроля являются достаточно достоверными и полезными при принятии управленческих решений по эксплуатации и рекультивации полигонов.
Следует подчеркнуть особую актуальность предложенного способа в условиях принятия незамедлительных мер по ликвидации чрезвычайных ситуаций объективного характера на полигонах ТБО Москвы и Московской области.