Размещение твердых коммунальных отходов (ТКО) на специально выделенных территориях в течение многих десятилетий являлось наиболее распространенным способом обращения с такими отходами. Исследованиями доказана экологическая опасность объектов размещения ТКО (полигонов), обусловленная эмиссиями загрязняющих веществ в компоненты окружающей среды в период эксплуатации объектов и более интенсивными, залповыми выбросами токсичных веществ при пожарах [1, 2, 3].
Неотъемлемой частью эксплуатации полигонов и свалок являются процессы горения отходов. Согласно статистическим данным [4], доля пожаров, связанных с мусором, за последние несколько лет остается стабильно высокой – около 25–29% от общего количества. При этом доля прямого материального ущерба от таких пожаров в 2021 г. выросла на порядок по сравнению с предыдущими годами, а процент случаев со смертельным исходом увеличился до 0,20%. Также анализ статистики показал, что количество погибших людей на пожарах, в результате отравления токсичными газами и ядовитыми веществами на протяжении нескольких лет постоянно растет.
Факторы, определяющие возможность, интенсивность, продолжительность горения отходов, а также негативное воздействие процесса на окружающую среду и здоровье людей, включают техногенные (состав отходов, организация эксплуатации полигонов и инженерно-технических сооружений на них), и геоэкологические (климатические и метеорологические условия района размещения отходов, рельеф местности) составляющие. Также, учитывая относительную близость объектов размещения отходов к населенным пунктам, важным аспектом пожарной опасности полигонов ТКО является оценка риска здоровью населения от негативного воздействия загрязняющих веществ, выделяющихся при горении отходов.
Стабильность частоты пожаров на полигонах ТКО, многокомпонентный состав и многофакторность пожарной опасности таких объектов требуют глубокой и комплексной проработки вопросов формирования системы мониторинга пожарной опасности.
Целями исследования являлись анализ геоэкологических и медико-экологических аспектов пожарной опасности полигона ТКО в Воронежской области и разработка на его основе комплексной схемы мониторинга таких объектов.
Основные задачи включают:
– анализ экологических аспектов горения отходов на полигонах ТКО и медико-экологической опасности продуктов горения;
– моделирование процессов рассеивания загрязняющих веществ от полигона ТКО в Воронежской области в период их максимального залпового выброса в условиях пожара;
– разработку схемы мониторинга пожарной опасности полигонов ТКО с учетом геоэкологических и медико-экологических аспектов.
Материал и методы исследования
Объектом исследования является полигон ТКО, расположенный в Новоусманском районе Воронежской области.
Размещение отходов на объекте осуществляется с 2006 г. Возгорание отходов происходит, как правило, в теплый период года с положительными среднемесячными температурами, а наиболее пожароопасный период установлен с середины апреля до конца сентября [5, 6, 7].
С учетом многокомпонентности отходов, сложности процессов их преобразования, а также ограниченного объема информации по экологическому состоянию объектов их размещения оценка их негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения проводилась на основе расчетов и моделирования процессов рассеивания загрязняющих веществ от объекта размещения отходов в период их максимального залпового выброса в условиях пожара.
Анализ масштабов задымления при пожаре на объекте проводился для реальной ситуации с возгоранием отходов в 2014 г. [8], а также в условиях моделирования процессов рассеивания загрязняющих веществ при возгорании отходов, накопившихся на полигоне к 2021 г. Рассеивание токсичных веществ в атмосфере определяется режимом ветра, температурой, влажностью, временем года, атмосферными осадками и явлениями. Расчет массы загрязняющих веществ произведен согласно Временным рекомендациям по расчету выбросов вредных веществ в атмосферу в результате сгорания на полигонах твердых бытовых отходов и размера предъявляемого иска за загрязнение атмосферного воздуха [9]. Параметры, принятые для расчетов и моделирования: масса сгоревших ТКО – 10% от всей массы размещенных отходов [10], ширина зоны горения – 110 м; средняя скорость ветра за расчетный период – 2 м/c, степень устойчивости приземного слоя атмосферы: 2014 г. – инверсия, 2021 г. – конвекция.
Расчет зон загрязнения производился с учетом метеорологических условий расчетного периода согласно методическим указаниям по прогнозированию чрезвычайных ситуаций природного характера [11].
Моделирование процессов рассеивания загрязняющих веществ для ситуации с возгоранием отходов в 2021 г. произведено на основе усредненных метеорологических параметров пожароопасного периода с учетом направления перемещения воздушных масс над объектом во время пожара [7].
Результаты исследования и их обсуждение
Основной причиной возгораний отходов и распространения пожаров является биогаз с высоким содержанием метана, формирующийся в толще отходов и выделяющийся в воздушную среду [12]. Накопление метана в приповерхностных слоях полигона приводит к самовозгоранию, чему способствуют высокая температура воздуха летом (до 38–45°С), неосторожное обращение с огнем, умышленный поджог свалок. Пожароопасная ситуация осложняется в связи с переполненностью полигонов и скоплением большого количества свалочного газа метана [13].
Эмиссии газообразных загрязняющих веществ происходят на протяжении всего периода эксплуатации полигонов. Образующийся при трансформации отходов биогаз включает различные компоненты [14]. Состав газовых выбросов полигона ТКО значительно усложняется в случае пожаров [15].
Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при горении отходов, в 2 раза больше, чем выделяющихся с биогазом в период эксплуатации полигона.
Экологические аспекты горения отходов на полигонах ТКО включают две составляющие:
− возникновение процесса горения обусловлено климатическими условиями (режимом температуры и осадков), составом и количеством отходов, количеством и временем выделения биогаза из тела полигона;
− факторами воздействия процесса горения отходов на окружающую среду являются продукты горения различных видов отходов, влияющие на состав и состояние атмосферы и оказывающие токсичное воздействие на население.
Геоэкологическая опасность продуктов горения определяется:
− снижением прозрачности атмосферы;
− тепловым загрязнением атмосферы;
− выбросом токсичных для живых организмов веществ;
− усилением парникового эффекта.
Снижение прозрачности атмосферы обусловлено выбросом сажи и твердых частиц. Исследованиями М.А. Хаджмурадова и иных [16] установлено, что в зонах тления и горения температура на поверхности почвы составляла 33–37°С (при температуре окружающего воздуха 0°С), возрастая вглубь почвы до 85°С, что связано с протеканием экзотермических химических реакций и микробиологической активностью. Парниковый эффект обусловлен высокими концентрациями метана и диоксида углерода, составляющих основную массу биогаза. При горении отходов выбросы диоксида углерода возрастают на порядок.
Также образующиеся при горении отходов токсичные химические соединения являются потенциально опасными для здоровья персонала объекта и жителей близлежащих населенных территорий [17].
Результаты расчета массы загрязняющих веществ и параметров зоны их распространения приведены в таблицах 1, 2.
Проведенные расчеты показали, что масса сажи и твердых загрязняющих веществ в выбросах при пожаре возрастает пропорционально количеству отходов на объекте. Таким образом, фактор, обусловливающий прозрачность атмосферы, имеет тенденцию к усилению воздействия по мере накопления отходов на полигоне, т.е. его опасность усиливается с возрастом объекта.
На основе проведенных расчетов составлены: карта рассеивания токсичных веществ при залповом выбросе во время пожара на исследуемом полигоне ТКО в 2014 г. (рис. 1), карта возможного загрязнения атмосферы сернистым ангидридом, окислами азота, окисью углерода при моделировании ситуации с возгоранием отходов на Новоусманском полигоне ТКО в расчетный период 2021 г. (рис. 2).
Таблица 1
Расчетные параметры выбросов газообразных загрязняющих веществ при горении отходов на исследуемом полигоне ТКО
|
Загрязняющее вещество |
Выброс загрязняющих веществ при пожаре, т |
Глубина пороговой зоны распространения, м |
Ширина пороговой зоны распространения, м |
|||
|
2014 г. |
2021 г. |
2014 г. |
2021 г. |
2014 г. |
2021 г. |
|
|
Сернистый ангидрид |
17,61 |
165,01 |
2850 |
7 070 |
2 390 |
5 766 |
|
Окислы азота |
29,35 |
2751,65 |
900 |
10 127 |
814 |
8 212 |
|
Окись углерода |
146,75 |
1375,83 |
4000 |
10 127 |
3 376 |
8 212 |
Таблица 2
Расчет массы сажи и твердых частиц, выбрасываемых в атмосферу при возгорании отходов на исследуемом объекте
|
Параметры |
Период проведения исследований |
|
|
2014 г. |
2021 г. |
|
|
Общая масса отходов, т [18] |
58 700 |
550 330 |
|
твердые частицы сажа |
7,3375 3,66875 |
68,7913 34,3956 |
Рис. 1. Зона задымления при пожаре на полигоне ТКО в 2014 г.
Рис. 2. Зона возможного распространения загрязняющих веществ при горении отходов на объекте исследования (моделирование, 2021 г.)
Очевидно, что загрязняющие вещества, выделяющиеся при пожаре на полигоне, распространяются далеко за пределы его санитарно-защитной зоны. В зоне потенциального риска вреда здоровью населения может оказаться значительное количество населенных пунктов и инфраструктур.
Предварительная скрининговая оценка потенциального риска причинения вреда здоровью населения близлежащих территорий химическими соединениями при горении отходов на полигоне, сделанная на основе проведенных расчетов и построения зон возможного токсического задымления, показала, что максимальная вероятность попадания населенного пункта в зону задымления в долях единицы – 1,52·10-1 – определена для трех населенных пунктов: с. Орлово, пос. Воля с. Горки, минимальная – 0,98·10-1 – для двух населенных пунктов: с. Новая Усмань, пос. Отрадное [17].
Проведенные исследования позволили разработать схему комплексного мониторинга пожарной опасности объектов размещения отходов (табл. 3).
Таблица 3
Схема мониторинга пожарной опасности объекта размещения отходов
|
Разделы (этапы) мониторинга |
Контролируемые параметры |
Нормативно-методическое обеспечение мониторинга |
Технические возможности для проведения мониторинга |
|
Превентивный мониторинг |
Температура атмосферного воздуха |
Требования к проведению наблюдений за состоянием окружающей среды, ее загрязнением, утв. приказом Минприроды России от 30.07 2020 г. № 524 |
Измерения температуры атмосферного воздуха на стационарных и передвижных постах |
|
Объем и скорость образования биогаза в массе отходов |
Методика расчета количественных характеристик выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от полигонов твердых бытовых и промышленных отходов [14] |
Газовая съемка, использование поточных камер [14] Применение искусственных нейронных сетей [19] |
|
|
Температурный режим поверхности отходов |
– |
Термометрические исследования в скважинах; Замеры температуры отходов в теле полигона с помощью почвенных термометров; Спектрозональная аэрофотосъемка [3] Тепловизионная съемка с беспилотных летательных аппаратов [20] |
|
|
Морфологический состав поступающих на полигон отходов |
ПНД Ф 16.3.55-08 «Твердые бытовые отходы. Определение морфологического состава гравиметрическим методом» |
Лабораторный контроль отобранных проб отходов |
|
|
Влажность отходов |
ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.58-08 Методика выполнения измерений массовой доли влаги в твердых и жидких отходах производства и потребления, почвах, осадках, шламах, активном иле, донных отложениях гравиметрическим методом |
||
|
Плотность отходов |
Методика расчета плотности отходов, размещенных на объекте их размещения (по данным о морфологическом составе отходов) составлена ФГБУ «ГосНИИЭНП» |
Расчет по данным морфологического состава отходов |
|
|
Мониторинг процесса горения отходов, прогнозирование задымления |
Площадь горения отходов |
– |
Съемка с беспилотных летательных аппаратов |
|
Направление и скорость ветра |
Требования к проведению наблюдений за состоянием окружающей среды, ее загрязнением, утв. приказом Минприроды России от 30.07.2020 г. № 524 |
Измерения скорости и направления ветра на стационарных и передвижных постах |
|
|
Площадь и направление зоны задымления |
Временные рекомендации по расчету выбросов вредных веществ в атмосферу в результате сгорания на полигонах твердых бытовых отходов и размера предъявляемого иска за загрязнение атмосферного воздуха, утв. Минприроды России 02.11.1992 г. |
Прогнозные расчеты, съемка с беспилотных летательных аппаратов |
|
|
Мониторинг состояния окружающей среды и здоровья населения, попавших в зону воздействия пожара |
Концентрации загрязняющих веществ в воздухе |
СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания», утв. постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 г. № 2 |
Лабораторный контроль и проведение инструментальных измерений |
|
Показатели здоровья населения и состояния среды обитания человека |
Методика проведения социально-гигиенического мониторинга Методические рекомендации № 2001/83, утв. Первым заместителем Министра здравоохранения РФ Г.Г. Онищенко 25.05.2001 г. |
Эпидемиологический контроль и надзор за инфекционными и неинфекционными заболеваниями |
Заключение
К опасным факторам горения отходов на полигонах ТКО относятся геоэкологические – загрязнение атмосферы, влияющее на ее состав и состояние, а также медико-экологические – риск повышения заболеваемости населения прилегающих территорий, обусловленный токсическим задымлением.
Произведенные расчет и моделирование токсического задымления при пожаре на полигоне ТКО в Воронежской области с учетом геоэкологических условий местности позволили определить направление и размеры зон загрязнения воздушной среды продуктами горения, а также произвести предварительную оценку количества и вероятности попадания населенных пунктов в зону задымления.
Проведенные исследования показали необходимость комплексного подхода к формированию системы мониторинга пожарной опасности полигонов ТКО. Разработанная авторами схема такого мониторинга включает три основных раздела (этапа): превентивный мониторинг пожарной опасности, мониторинг процесса горения отходов с прогнозированием зоны задымления, мониторинг загрязнения воздушной среды и здоровья населения, попавших в зону воздействия пожара. Для каждого раздела представлены: перечень контролируемых параметров, нормативно-методическое обеспечение, технические возможности осуществления мониторинга.