CC BY
83
ной научно-практической конференции. Ростов на Дону: Рост. гос. ун-т, 2003. С 142-143.
N.D. Levkin, N.E. Muhina
POLLUTANT EMISSION OF COAL MINES WASTE DUMPS Basic processes of negative influencing coal mines rock dumps upon environment and population during all time their existence are considered. Necessity of protection from acidification soils of adjoining rock dumps territories was substantiated and method of evaluating atmospheric flows from waste dumps for forecasting critical situations and defining rational methods ofprotecting environment from dangerous pollutants was discussed.
Key words: waste dump, acidification soils, heavy metals, acid flows, anthropogenic desert, agrochemical characteristics, overflow face, runoff coefficient.
Получено 10.05.12
УДК 574: 622.23:502.55
Н.Д. Левкин, канд. техн. наук, доц., (4872) 36-79-48, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.Е. Мухина, асп., (4872) 50-30-16, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЕРРИТОРИЙ СТОКАМИ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований загрязнения прилегающих к полигонам ТБО территорий тяжелыми металлами и способов снижения деструкции окружающей среды фильтратом полигонов ТБО.
Ключевые слова: полигоны ТБО, фильтрат, тяжелые металлы, математическая модель, вычислительный эксперимент, кинетика сорбции, поверхностные и грунтовые воды, технологическая схема.
При организации мест захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) большое практическое значение имеет оценка вероятности загрязнения подземных вод тяжелыми металлами. Поступление тяжелых металлов в водоносные горизонты при эксплуатации подобных объектов происходит преимущественно путем вертикальной миграции фильтрата свалок и полигонов твердых бытовых отходов.
В промышленных регионах крупными источниками дестабилизирующего воздействия на окружающую среду являются полигоны твердых бытовых отходов [1]. Основным источником загрязнения гидросферы здесь является мигрирующий с полигона на прилегающие территории фильтрат, в котором содержится ряд веществ, вызывающих мутагенные и канцерогенные эффекты.
В результате геохимических исследований прилегающих к полигону территорий установлено превышение ПДК ряда металлов, как в почвах, так и в поверхностных водах [2 - 3].
Для разработки эффективных природоохранных мероприятий необходима информация о закономерностях поступления загрязняющих веществ на прилегающие к полигонам территории и дальнейшей миграции поллютантов.
Вертикальная миграция компонентов фильтрата в водоносные горизонты (х, у = 0) описывается следующим уравнением [4]:
dC + wdC = D д^С_с э dz
(1)
dt
dz
где С - концентрация мигрирующего компонента в фильтрате; W - составляющая вектора скорости фильтрации по оси z; Бэ - эффективный (эквивалентный) коэффициент диффузии; k - константа скорости сорбции.
Знак минус в правой части уравнения (1) показывает, что в результате сорбции концентрация мигрирующего компонента уменьшается.
В качестве начальных и граничных условий уравнения (1) приняты следующие:
начальные условия: C(z, 0) = CH = const. (2)
граничные условия: C(0, t) = C0 = const. (3)
Рассматривая одномерное полуограниченное пространство, зададим условия на бесконечность:
lim C(z,t)(4)
Z
В результате решения[5-6] исходного уравнения (1) была получена зависимость (5), описывающая динамику изменения концентрации загрязняющего вещества в горной породе:
C(z, t) = CH • exp-kt + (Сн + C0)• exp
W_ 2D
■z
X
x exp
k +
W
2 Л
V v
4 D
• erf
э J J
V э J
Л
+
2jDj j
+ exp
W 2 D
C
H
x exp
W
4 D
_W_
4D
2 Л t
• exp _kt + C0
k +
W
2 Л
4D
exp
- kt
э У
X
erf
э J
э * J
dt.
(5)
Общий поток загрязнителя, поступающего в водоносный горизонт, определяется по следующему уравнению:
°заг = 3пов * Л=Я, (6)
где 8пов - площадь поверхности верхней границы водоносного горизонта; ]2=н - конвективный поток.
t
t
\
z
0
z
Если не учитывать влияния диффузионных процессов, т.е. положить Бэ = 0, то уравнение (1) преобразуется в следующее:
(7)
dC+w dC =-кС.
dt dz
Дополним уравнение (7) начальными и граничными условиями: начальные условия: C(z, 0) = 0, (8)
граничные условия: C(0, t) = СН = const. (9)
Применим преобразование Лапласа к уравнению (7). В результате преобразований получим следующее уравнение:
C (z) = CH ■ exp
k ■
z W
(10)
Уравнение для определения конвективного потока запишем в следующем виде:
j =W C(z). к
С учетом (10) уравнение (11) примет вид
jz=H CH
W ■ exp
' Hл
-k ■
W
(11)
(12)
В результате получаем формулу для определения общего потока загрязнителя:
G = S Cu W ■ exp
заг пов Н г
-k ■
H
W
(13)
С помощью использования ресурсов пакета Mathcad 2000 Professional составлена прикладная программа, позволяющая численно реализовать разработанную математическую модель. На основе использования зависимости (13) получено теоретическое распределение потока поллютанта по глубине (рис. 1).
Таким образом, результаты аналитических исследований миграции с полигона тяжелых металлов показывают, что низкая проницаемость находящихся в основании полигона грунтов препятствует распространению фильтрата по профилю. Следовательно, рассматриваемые загрязняющие вещества будут мигрировать на прилегающих к полигону территориях с грунтовыми водами и поступать в естественные водостоки, вызывая деструкцию природной среды [7 - 9].
Для разработки экономически оправданных мероприятий по снижению негативного влияния фильтрата на ОС проведены исследования эффективности очистки стоков от ионов тяжелых металлов местными природными сорбентами: известняком и доломитом.
j
\
\
;
а г/ч
0.004
С<0.1, ю
0.003
0(0.5, Ь) 0(1,Ь)
0(1.5,11)0 002 0.001
Со = 3 г/м , 8=10,
4-10"4 м/ч
Рис. 1. Распределение потока поллютанта по глубине
Сравнительный анализ результатов исследования на модельных растворах показал, что сорбционная ёмкость известняка превышает аналогичную характеристику доломита по всем актуальным элементам (рис. 2).
Степень очистки раствора, %
Медь
Известняк Доломит
Марганец
Рис. 2. Эффективность очистки модельных растворов
Однако из серии экспериментов с реальными стоками следует, что при определенных условиях некоторые элементы лучше сорбируются доломитом (рис. 3).
Рис. 3. Эффективность очистки сточных вод полигона ТБО природными сорбентами
В процессе исследований установлено, что эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов зависит от степени измельчения сорбента. Максимальной адсорбционной емкостью обладает фракция 0,3 мм. Кроме того, установлено, что при одинаковых условиях сорбции природные известковые материалы проявляют различие в поглощении ионов исследуемых тяжелых металлов. Так, в модельных растворах сорбционная способность располагается в следующем ряду: известняк-марганец > медь
> цинк, а доломит-медь > цинк > марганец. Для реальных стоков полигона сорбционная способность располагается в ряду: известняк-марганец > медь
> цинк; доломит-цинк > медь > марганец.
Полученные результаты позволили разработать технологическую схему сбора, отведения и сорбционной очистки фильтрата полигона бытовых отходов с использованием местных природных сорбентов, обеспечивающую снижение содержания в стоках тяжелых металлов.
Список литературы
1. Доклад о состоянии и охране окружающей среды Тульской области в 2003 году / Главное управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР РФ по Тульской области. Тула, 2003. 85 с.
2. Левкин Н.Д., Н.Н. Афанасьева, Е.А. Матюхина // Загрязнение почв и поверхностных вод тяжелыми металлами, содержащимися в фильтрате полигона ТБО г. Тула // Материалы 1-й Международной геоэкологи-
ческой конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами». Тула :ТулГУ, 2003. С. 5-9.
3. Левкин Н.Д., Н.Н. Афанасьева, А.В. Лазеба Исследование загрязнения тяжелыми металлами территории, прилегающей к полигону ТБО г. Тула // Материалы 2-й Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами». Тула :ТулГУ, 2004. С. 127-130.
4. Тихонов А. Н., А. А. Самарский. Уравнения математической физики. 7-е изд. М.: Наука, 2004. 798 с.
5. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа / Г. Деч. М. : Наука, 1965. 288 с.
6. Диткин В.А., А.П. Прудников. Справочник по операционному исчислению. М.: Высш. шк., 1965. 468с.
7. Обезвреживание фильтрата полигонов захоронения твердых бытовых отходов / Н.Е. Николайкина [и др.] // Экология и промышленность России. 2003. № 1. С. 4-5.
8. Очистка сточных вод: пер. с англ. / М. Хенце [и др.]. М.: Мир, 2004. 480 с.
9. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. М.: КолосС, 2003. 230 с.
N.D. Levkin, N.E. Muhina
POLLUTING TERRITORIES BY REFUSE DUMP FLOWS
Results of theoretical and experimental researching polluted adjoining waste dumps territories by heavy metals were shown and methods of reducing environmental destruction by domestic waste dumps filtrate were considered.
Key words: domestic waste dumps, filtrate, heavy metals, mathematical model, computer experiment, sorption kinetics, superficial and underground water, technological scheme.
Получено 10.05.12
