3. Биологическая рекультивация выработанных месторождений торфа
Биологическую рекультивацию выработанных месторождений торфа выполняют после проведения технической рекультивации. Она включает первичную обработку почвы, выбор предварительных культур для посева, внесение химических мелиорантов и удобрений.
Предварительная обработка способствует сохранению и накоплению влаги, очищению почвы от сорной растительности, регулированию водного и питательного режимов, усилению аэрации, активации биологических процессов, разложению вредных соединений. В состав операций первичной обработки входят вспашка, дискование, фрезерование и прикатывание. Вначале проводят плужную вспашку с последующей разделкой пласта дисковой бороной. Качество разделки пласта зависит от угла атаки дисковых батарей, направления перемещения бороны относительно разделываемого пласта и глубины вспашки.
В случае неглубокой вспашки пласт разделывают под небольшим (8-10о) углом атаки дисковых батарей, а дискование проводят сначала вдоль пласта, чтобы исключить извлечение древесных остатков и дернины на поверхность, а затем под некоторым углом к основному направлению пласта для выравнивания поверхности. При глубокой вспашке пласт разделывают под большим (до 90о) углом атаки дисковых батарей, а дискование проводят диагонально- перекрестным способом перемещения дисковой бороны.
Дискование болотно-торфяных почв начинают спустя 3-5 сут после вспашки, а на минеральных участках – вслед за вспашкой.
На мелкозалежных торфяных почвах более рациональный способ первичной обработки – фрезерование. Оно способствует сохранению органического вещества торфяной залежи, не нарушает естественного распределения биологической активности по слоям торфа.
После первичной обработки почвы рекультивируемые площади прикатывают до посева или после посева с целью уплотнения и выравнивания поверхности для равномерной заделки семян по глубине. Кроме того, прикатывание способствует увлажнению пахотного слоя торфа за счет капиллярного подпитывания из нижних слоев почвы, предотвращая иссушение верхнего слоя. В качестве предварительных культур рекомендуют возделывать овес, корнеплоды, картофель, озимую рожь, горохоовсяную смесь, люпин. Выбор предварительных культур определяется потребностью в них хозяйств, почвенно-климатическими условиями района, степенью разложения торфа. При возделывании предварительных культур происходят усадка и уплотнение торфа, усиливаются микробиологические процессы и минерализация его.
Придонный слой торфа многие столетия находился в анаэробных условиях, и поэтому процессы разложения органического вещества и накопление подвижных форм элементов питания в первые годы освоения протекают медленно. Источником питания в этот период для растений являются в основном вносимые минеральные и органические удобрения. Дозы минеральных удобрений зависят от сроков и способов их внесения, планируемой урожайности, обеспеченности почвы элементами питания, коэффициента использования растениями питательных веществ из удобрений, биологических особенностей культур. Для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур на выработанных торфяниках в качестве минеральных рекомендуют вносить калийные удобрения. Минеральные удобрения вносят в почву как осенью под озимые, так и ранней весной в подкормку или при посеве. Средние нормы калийных удобрений при окультуривании 1 га выработанных площадей торфяных месторождений составляют под однолетние и многолетние травы 180 - 240 кг, под корнеплоды и клубнеплоды – 200-240 кг, под зерновые и бобовые культуры – 150-180 кг. Органические удобрения вносят в зависимости от мощности остаточного торфа, но не менее 30-40 т на 1 га рекультивируемой площади.
Лекция 7.
Тема: Рекультивация и обустройство нарушенных земель свалками и полигонами ТБО
Основное содержание:
Рекультивация нарушенных земель свалками
Рекультивация и обустройство полигонов ТБО
Сравнительный анализ рекультивации земель: Российский и Британский опыт
Нормативные аспекты рекультивации земель
Рекультивация нарушенных земель свалками
Все большие города мира построены на свалках. Отходами быта и производства заваливали ближайшие овраги, а по мере роста городов строительство начинали на этих территориях. Неконтролируемый вывоз отходов приводил и приводит к загрязнению подземных и поверхностных вод, прилегающих земель, повышенному содержанию в воздухе метана и других продуктов гниения, размножению крыс и мух, распространяющих инфекционные болезни.
На человека приходится в среднем от 0,5 кг твердых бытовых отходов (ТБО) в развивающихся и до 2 кг в день в промышленно развитых странах. Учитывая, что темпы роста населения в развивающихся странах составляют в среднем 5 % в год, а в Западной Европе города практически слились с селами, проблемы урбанизации, в том числе и проблемы отходов, будут обостряться и в будущем.
Практически во всех промышленно развитых странах мира подавляющее количество образующихся отходов продолжают вывозить на свалки или на так называемые полигоны. Например, в СНГ на свалки вывозят около 97% образующихся отходов в городском хозяйстве, в Великобритании – 90, в Канаде – 80, в Италии – 71, в США – 67, в Испании – 65 %.
Обезвреживание и захоронение отходов на свалках и полигонах в первую очередь сопряжено с отчуждением больших территорий, с высокими транспортными расходами, с негативным воздействием отходов на окружающую среду и нарушением ландшафта.
По отношению к вмещающим породам и окружающим почвам свалка является резкой техногенной геохимической аномалией. В свалочном грунте характерно присутствие накоплений элементов таких как: серебро, вольфрам, молибден, никель, медь, свинец и другие элементы. Техногенные грунты свалок имеют аномальные геофизические характеристики (удельное электрическое сопротивление от 0,2 Ом • м/м3 в водонасыщенном состоянии до 20 Ом • м/м3 при естественной влажности); аномальные инженерно-геологические характеристики (средняя плотность 0,6 - 0,8 т/м3, пористость 60 - 70 %, влажность 20 - 60 %), неоднородные фильтрационные свойства (Kf = 0,1 - 1,5 м/сут), водоотдачу (5 - 10 %). В толще свалки формируется техногенный водоносный горизонт. Как правило, наблюдается заметное превышение уровней техногенного горизонта над уровнями нижележащих водоносных горизонтов, что связано с наличием в подошве свалки слабопроницаемого слоя, образовавшегося вследствие скопления тонкодисперсных фракций грунтов, и значительным инфильтрационным питанием по площади свалки. Инфильтрационное питание является основной статьей баланса техногенного горизонта, достигающей 60 % суммы атмосферных осадков.
Инфильтрация – это ведущий фактор, влияющий на интенсивность протекания физико-биологических процессов в толще свалки и определяющий количество образующегося фильтрата и биогаза в анаэробной зоне свалки мощностью 10 м и более. Фильтрат образуется в результате протекания процессов деполимеризации, сбраживания, гумификации органического вещества, и других процессов. В итоге получается уникальный по своей токсичности раствор с минерализацией до нескольких десятков граммов на 1 л, содержанием ионов аммония и хлора, других макрокомпонентов до нескольких граммов на 1 л, высокими концентрациями тяжелых металлов (цинк, свинец, никель, хром, кадмий и др.). Основные органические соединения фильтрата – это соединения смешанных рядов, ароматические, ациклические карбоксильные соединения всех классов опасности. Наиболее опасны загрязнения органического происхождения, оцениваемые химической потребностью в кислороде (ХПК) и концентрацией взвешенных органических веществ (Сорг), которые в фильтрате достигают высоких значений (ХПК до 6 г О2 на 1 л и Сорг до 5 г/л), тогда как в городских сточных водах эти показатели достигают на порядок меньших значений, например ХПК до 0,1 - 0,6 г О2 на 1 л и Сорг до 0,1 - 0,3 г/л.
Биогаз образуется в результате жизнедеятельности метанобразующих бактерий и сопровождается выделением тепла, поддерживающего температуру 30 - 40 °С в толще отходов. В результате внутреннего разогрева отходов увеличивается проницаемость подстилающих свалку глинистых пород, а на поверхности свалки формируются температурные аномалии, имеющие необычный для природных систем мозаичный характер. Биогаз, или, как его называют, свалочный газ, представляет собой экологически опасную смесь метана, диоксида углерода, сероводорода, окислов азота, водорода и др. При выходе биогаза на поверхность достаточно часто он возгорается, вызывая крупные пожары на свалках, сопровождающиеся образованием других отравляющих химических веществ.
Формирование загрязнения подземных вод на участках размещения свалок объясняется снижением их окислительно-восстановительного потенциала за счет проникновения в подземные горизонты вместе с фильтратом неокисленных органических веществ. Они потребляют кислород подземных вод на свое окисление и различные химические трансформации, формируя при этом околонейтральные бескислородные бессульфидные воды.
Тип загрязнений подземных вод характеризуется присутствием в этих водах неорганических ингредиентов в концентрациях, превышающих ПДК и относящихся к различным классам опасности. Кроме того, в подземных водах в высоких концентрациях присутствуют неокисленные органические вещества всех классов опасности. Миграция загрязняющих веществ в подземные горизонты сводится к прохождению ими серии геохимических барьеров. Например, в результате миграции загрязняющих веществ загрязняются горные породы основания свалки и грунтовые воды. Поверхностные воды, стекающие со свалки, в своем составе также несут загрязняющие вещества и при движении по прилегающим землям загрязняют почвы. Далее загрязняющие вещества, попадая в открытые водные объекты, ухудшают качество воды в них и накапливаются в донных отложениях. Схема миграции загрязняющих веществ от свалки показана на рисунке 5.
г
Рис. 5. Схема миграции загрязняющих веществ от свалок:
1 – свалочный грунт; 2, 5 – направления распространения веществ, загрязняющих почву; 3 – уровень воды; 4 – донные отложения; 6 – направление распространения загрязняющих веществ в горные породы и грунтовые воды; 7 – горные породы в основании свалки; 8 – поверхность земли; О – атмосферные осадки; Е – испарение влаги с поверхности свалки; Г– биогаз
Интенсивность накопления загрязняющих веществ в разных средах неодинаковая и изменяется в такой последовательности: горные породы – почвы – донные отложения. Уровни накопления загрязняющих веществ в этих средах тесно взаимосвязаны и увеличиваются во времени, а степень их накопления характеризуется суммарным показателем загрязнения Zc, равным сумме отношений концентраций присутствующих загрязняющих элементов С1... Сn к их фоновым содержаниям СФ1... Сфn:
Zс=С1Сф1 + ... + Сn/Сфn.
На уровень загрязнения окружающей среды оказывают влияние концентрация загрязняющих веществ и продолжительность существования свалки. Наиболее отрицательное влияние свалка оказывает после 3 - 4 лет от начала эксплуатации и в первые 15 - 20 лет после ее закрытия.
Для уменьшения негативных воздействий свалок на окружающую среду необходима система природоохранных мероприятий на каждом этапе их функционирования.
Серьезный экологический ущерб окружающей среде наносят так называемые несанкционированные свалки – стихийно образовавшиеся или возникшие из-за непродуманной деятельности человека искусственные геологические образования (площадью не менее 0,5 га при мощности отложений не менее 1 м). В зависимости от направления последующего использования территорий, занятых несанкционированными свалками, принимают те или иные технические решения по их рекультивации.
Территории, занятые несанкционированными свалками, после их рекультивации могут быть использованы под жилую застройку, для создания коммунальной или промышленной зоны, а также для дорог, площадок и рекреационных целей. Эти условия определяют объемы работ рекультивации с учетом всех неблагоприятных факторов, сопутствующих свалкам: с полным или частичным удалением свалочного грунта и заменой его нормативно-чистым грунтом или без удаления с перекрытием его по верху нормативно-чистым грунтом. В соответствии с временными положениями о порядке работ по рекультивации несанкционированных свалок например в Москве (ТСН 11.301-97) гражданское строительство (жилые здания, детские и лечебные учреждения) без вывоза свалочного грунта не допускается.
Жилищное строительство может быть разрешено только после достижения в результате рекультивации нормативных показателей загрязненности грунтов и атмосферного воздуха.
Перед началом работ проводят инженерно-геологические изыскания, на основании которых составляют сетку профилей грунта свалки и подстилающих их слоев грунта основания, по ним определяют мощность слоя свалочного грунта, структуру подстилающих: слоев, степень их загрязненности и уровень грунтовых вод. Мощность загрязненного грунта, подлежащего удалению в основании свалки наравне со свалочным, определяют сравнением степени загрязнения его с нормативными значениями.
Свалочные грунты удаляют на полигоны обезвреживания и захоронения отходов. Для выполнения этих работ используют одноковшовые экскаваторы и автосамосвалы. Удаляемые со свалки строительные отходы или нормативно-чистые подстилающие грунты могут быть использованы на различных земляных работах (для подсыпок, устройства изоляционных слоев на полигонах при захоронении твердых бытовых отходов и т. д.).
В случаях замены свалочного грунта завозят минеральный грунт. Завозимый грунт должен быть нормативно-чистым по бактериологическим, химическим и радиометрическим показателям. Техническими решениями предусматривают выполнение мероприятий по обеспечению санитарно-гигиенических и микробиологических условий и радиационной безопасности при организации и производстве строительных работ.
В соответствии с результатами санитарного обследования планируют истребительные мероприятия по дератизации (истреблению крыс, мышей и др.) и дезинсекции согласно требованиям инструкции по борьбе с мухами.
В процессе производства работ по разработке техногенного грунта могут быть вскрыты локальные аномалии с наличием на глубине радиоактивного загрязнения как в виде отдельных источников ионизирующего излучения, так и в виде радиоактивного загрязненного грунта.
Для обеспечения обнаружения радиоактивного загрязнения, попавшего на свалку в результате несанкционированных выбросов радиоактивных отходов, необходимо по мере выемки и вывоза мусора регулярно измерять мощность экспозиционной дозы (МЭД) гамма-излучения. Особенно это относится к свалкам, расположенным в пониженных местах: глубоких ямах, карьерах и т. п.
При вскрышных работах измерения проводят по всей обнажающейся поверхности свалки по сетке профилей через 2, 5, 10 м в зависимости от состава мусора: при наличии в мусоре деталей приборов и радиоаппаратуры, обломков лабораторной посуды и т. п. сеть профилей сгущают, при наличии бытового или строительного мусора ее можно разрядить. Измерения необходимо проводить по мере выемки мусора, но не реже одного раза в день. Измерения выполняют переносными радиометрами типа СРП-68-01 или СРП-88.
Организация работ по вывозу свалочного грунта включает соблюдение дополнительных условий экологической безопасности: обязательное укрытие кузовов автосамосвалов брезентом при перевозке свалочного грунта; дезинфекцию колес автотранспорта при выезде с рекультивируемой территории (устройство дезинфекционных ванн при температуре наружного воздуха выше 5 °С); организацию сбора и удаление на очистные сооружения загрязненных поверхностных вод, поступающих с территории свалки; периодическое медицинское освидетельствование производственного персонала, занятого на этих работах; обеспечение радиационной безопасности персонала при постоянном измерении уровня радиации.
При рекультивации несанкционированных свалок без удаления свалочного грунта предусматривают мероприятия и работы по дегазации, устройству защитного экрана по верху свалочных грунтов, а также ограждению рекультивируемой территории во избежание вторичного ее загрязнения.
Защитные экраны, устраиваемые по верху свалочного грунта, являются основными элементами, обеспечивающими главную природоохранную функцию. Конструкция защитных экранов представляет собой комбинацию изоляционных и фильтрующих элементов, позволяющих собирать и отводить просачивающиеся поверхностные воды, атмосферные осадки и биогаз.
Защитный экран строят в такой последовательности. Предварительно разравнивают отдельные неровности на поверхности свалки, после чего выполняют общую планировку всей поверхности с приданием ей незначительного уклона (i = 0,01 -0,05) в сторону общего понижения рельефа.
Затем отсыпают выравнивающий слой толщиной не менее 0,5 м, например из очищенного строительного мусора, с диаметром фракций 4-32 мм.
При наличии газообразования в толще свалочного грунта устраивают по верху выравнивающего слоя слой из газопроводящего материала, например песка, толщиной не менее 0,3 м.
После этого по верху газопроводящего слоя выполняют противофильтрационный экран, состоящий из двух слоев глины толщиной по 0,25м каждый и слоя синтетической рулонной изоляции толщиной не менее 2,5 мм. Для устройства противофильтрационного экрана используют глину с коэффициентом фильтрации не менее 5 • 10-10 м/с.
Сверху синтетической изоляции укладывают дренирующий слой в виде пластового дренажа толщиной не менее 0,3 м из минерального грунта с коэффициентом фильтрации Kf= 1 • 10-3 м/с.
Далее отсыпают слой потенциально плодородного грунта толщиной 0,7-0,85 м, по верху которого наносят плодородный слой почвы толщиной 0,15-0,3м.
С целью защиты грунтовых вод от загрязнения свалочным конденсатом и инфильтратом можно использовать способ силикатизации грунтов в основании свалки, основанный на нагнетании через инъекторы в основание свалки гелеобразующих материалов. В качестве гелеобразующих материалов используют сернокислый алюминий, щавелевую кислоту и «жидкое» стекло. Образующийся при этом в основании свалки гелевый экран способствует укреплению нижних слоев свалочного грунта и верха горных пород основания и уменьшает его водопроницаемость, а также выступает в роли геохимического барьера на пути распространения загрязняющих веществ в подземные горизонты.