Инженерно-экологические свойства осадков водоподготовки как основа их использования при рекультивации нарушенных земель и обустройстве полигонов твердых отходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат геолого-минералогических наук Томин, Михаил Николаевич

• Томин, Михаил Николаевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Томин, Михаил Николаевич

Введение.

Глава 1. Анализ ранее проведенных работ. Технология образования осадка водоподготовки на Западной фильтрационной станции.

1.1. Состояние вопроса. Анализ ранее проведенных работ.

1.2. Формирование осадков водоподготовки на Западной фильтрационной станции г. Екатеринбурга.

Глава 2. Физико-химические свойства осадка водоподготовки.

2.1. Химический и минеральный состав.

2.2. Микробиологическая характеристика.

Глава 3. Физико-механические свойства осадков водоподготовки.

3.1. Физические свойства.

3.2 Механические свойства.

Глава 4. Улучшение свойств осадков водоподготовки.

4.1. Изменение физико-механических свойств при промораживании.

4.2. Изменение химического состава и микробиологических показателей осадка при промораживании.

5. Использование осадков водоподготовки.

5.1. Использование осадка для рекультивации нарушенных земель.

5.2. Использование осадка водоподготовки при обустройстве полигонов твердых бытовых отходов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инженерно-экологические свойства осадков водоподготовки как основа их использования при рекультивации нарушенных земель и обустройстве полигонов твердых отходов»

Актуальность работы. В процессе подготовки воды на водопроводных станциях, использующих речную воду, образуется значительное количество осадков при работе отстойников и осветлителей со взвешенным слоем; фильтров и контактных осветлителей; растворных баков реагентного хозяйства.

До настоящего времени наиболее распространенным приемом удаления осадка и промывных вод на водопроводных очистных станциях является сброс их в поверхностные водоемы. Значительное количество осадков, поступающих в водоемы с водопроводных станций, тормозит, а иногда и полностью прекращает естественные биологические процессы водоема. Это происходит за счет того, что твердые частицы, в большом количестве сбрасываемые с очистных водопроводных станций, захватывают и осаждают на дно очищающие воду микроорганизмы. Отложение большого количества осадка может нарушить экологические условия мест размножения и нереста рыб, ухудшить эстетичный вид водоема, особенно в местах, где отсутствуют быстрые течения. Осевший на дно водоема осадок легко взмучивается течением и турбулентностью воды, вызываемой действием ветра или изменением температуры.

В последние годы на смену методам естественного обезвоживания все чаще приходят методы механического обезвоживания осадков при помощи фильтр-прессов, так как осадок водоподготовки имеет очень высокую влажность. При высокой влажности, в силу плохих физико-механических свойств, применение осадка в какой-либо сфере весьма проблематично, необходим поиск методов дополнительного, более интенсивного и рационального метода его осушения.

В данной работе рассмотрен вариант обезвоживания осадка водоподготовки Западной фильтрационной станции г. Екатеринбурга промораживанием в естественных условиях (с предварительным обезвоживанием на «Винкель-прессе» до относительной влажности 500 %). Это позволяет использовать осадки водоподготовки для рекультивации нарушенных земель и обустройства полигонов твердых бытовых отходов (ТБО).

Цель исследований - детальное изучение физико-механических и физико-химических свойств осадков водоподготовки, динамики их изменения при сезонном колебании температурного режима, обоснование целесообразности использования осадков для рекультивации нарушенных земель и обустройства полигонов ТБ и ПО.

Идея работы - доказательство принадлежности осадков водоподготовки к особому типу техногенных грунтов - техногенным сапропелям, возможности их использования при обустройстве полигонов ТБ и ПО и при рекультивации нарушенных земель после промораживания осадка в естественных условиях.

Задачи исследований включают:

1. Выявление общих закономерностей формирования осадка водоподготовки и природных сапропелей.

3. Выявление закономерностей изменения физико-механических свойств осадка при промораживании, изменение химического состава и геохимических особенностей осадка водоподготовки.

4. Обоснование рациональных методов использования осадка водоподготовки.

Исходный материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены материалы, собранные автором в период обучения в очной аспирантуре Уральского , государственного горного университета в 2002 — 2005 годах и работы в ООО «Уралгеопроект» в 2005 -2008 годах. Теоретической и методологической основой работы является комплексный подход к изучению и оценке инженерно-экологических свойств техногенных илов, базирующийся на опыте работы Западной фильтрационной станции МУП «Водоканал» г. Екатеринбурга и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ при личном участии автора.

Исследования проведены с использованием современных методов сбора, обобщения и анализа материалов с применением компьютерных технологий. Научная новизна работы:

- исследование физико-механических и физико-химических свойств осадка водоподготовки;

- исследование изменений физико-химических и физико-химических свойств осадка при промораживании;

- обоснование принадлежности осадка водоподготовки к особому типу техногенных образований - техногенному сапропелю.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования осадка водоподготовки при обустройстве полигонов твердых бытовых и промышленных отходов и при рекультивации нарушенных земель. Личный вклад автора

Лично автором или при его непосредственном участии выполнены:

- постановка задач исследований;

- анализ опубликованных и фондовых материалов, характеризующих осадки различных водоподготовительных станций;

- полевые и лабораторные исследования инженерно-экологических свойств осадков водоподготовки и закономерности их трансформации;

- предложены рациональные методы утилизации осадков водоподготовки при обустройстве полигонов ТБ и ПО и рекультивации нарушенных земель.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объёмом корректного фактического материала, использованием данных, полученных с участием автора, при обустройстве Широкореченского полигона ТБ и ПО г. Екатеринбурга, полигонов г. I

Полевского и г. Арамиля. декады, УГГУ, Екатеринбург в 2003-2007 гг., а также в двух отчетах по договорным работам.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять статей и тезисы доклада.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения общим объёмом 121 страница машинописного текста, содержит пять таблиц, 40 иллюстраций и список литературы из 108 наименований.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Томин, Михаил Николаевич

Заключение

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные научно обоснованные выводы и практические рекомендации:

1. На станциях водоподготовки в прудах-накопителях на сегодняшний день накоплено большое количество осадков, ухудшающих экологическое состояние природной среды и нарушающих естественный ландшафт.

2. По условиям образования, составу и физико-механическим свойствам осадок водоподготовки близок к природным органоминеральным грунтам -сапропелям, но технология водоподготовки с применением флокулянта обусловливает повышенное содержание в осадке алюминия как основного реагента, применяющегося при первичном обезвоживании осадка. Исходя из условий образования, целесообразно рассматривать осадок водоподготовки как техногенный сапропель.

3. Нагревание осадка хотя и ведет к его обезвоживанию, но при этом большое количество элементов переходит в подвижную форму, что может привести к негативным экологическим последствиям. Наиболее эффективным и малозатратным методом обезвоживания осадка водоподготовки, с целью улучшения его свойств, является промораживание в естественных условиях.

4. Руководствуясь результатами НП «Уральский орган сертификации по экологическим требованиям», оценившим осадки водоподготовки как радиологически не опасные, не обладающие экотоксичными свойствами, представляющими собой многокомпонентную малорастворимую смесь, относящуюся к «внекатегорийным нетоксичным отходам, экологически безопасным», а так же учитывая имеющиеся показатели пригодности осадков водоподготовки (по ГОСТ 17.5.1.03-86), возможно использовать их для проведения этапа биологической рекультивации нарушенных земель.

5. Непромороженный осадок возможно использовать в качестве промежуточных экранов при обустройстве полигонов ТБ и ПО. Осадок водоподготовки, размещенный на отходах, способствует тушению очагов возгорания за счет оттока из него гравитационной воды, образованной при промораживании-оттаивании. Добавление влажных осадков в ТБО организует процесс вермикулизации отходов с участием дождевых червей и получение биогумуса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Томин, Михаил Николаевич, 2008 год

1. Абелев М.Ю. Слабые водонасьпценные глинистые грунты как основаниясооружений. /М.Ю. Абелев. М.: Стройиздат, 1973. — 288 с.

2. Амарян JI.C. Прочность и просадочность торфяных грунтов. / JI.C. Амарян.1. М.: Недра, 1969.

3. Аптекарь Л.Д. Возведение земляной плотины Каховского гидроузла на основаниииз лиманно-морского ила. / Л.Д. Аптекарь, С.С. Бушканец // Слабые грунты. -Таллин-1965, с. 312-317.

4. Афанасьева С.Е. Переработка осадков, образованных при подготовкепитьевых и очистке ливневых сточных вод. / С.Е. Афанасьева, А.Е. Ловцов. // Ж. «Водоснабжение и санитарная техника». № 6, 2004 г. С. 1316.

5. Барак К. Технические записки по проблемам воды. / Ж. Бебен, Ж. Бернар и др.

6. Пер. с англ. В 2-х томах. Т.1. Под ред. Т. А, Карюхиной, И. Н. с. 68.

7. Беликов Б.П. Упругие и прочностные свойства горных пород. / Труды ИГЕМ.1. Вып. 43,1961, с. 47-110.

8. Белявский Г.А. Физико-механические свойства донных осадков севернойчасти Индийского океана. Киев: Наукова думка, 1977. - 118 с.

9. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1985. - 312 с.

10. Бирюков А.С, Бирюков Д.С, Белогородский И.Н. Снижение загрязнения окружающей среды осадками биологических очистных сооружений.

11. Вавилин В.А. Нелинейные модели биологической очистки и процессов самоочищения в реках. М., "Наука", 1983. - 156 с.

12. Вода в дисперсных системах. / Б.В. Дерягин, Чураев Н.В., Овчаренко Ф.Д. и др. -М.: Химия, 1989.-288 с.

13. Возбуцкая А.Е. Химия почвы. М.: Высшая школа, 1964. - 398 с.

14. Вознесенский Е.А. Поведение грунтов при динамических нагрузках. М.: Изд-воМГУ, 1997.-175 с.

15. Воронкевич С.Д. Техническая мелиорация пород. М.: Изд-во МГУ, 1981.-412 с.

16. Вялов С.С. Реология мерзлых грунтов. М.: Стройиздат, 2000. - 164 с.

17. Гальперин А.М. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. / В. Фёрстер, X. Ю. Шеф. М.: Изд-во МГГУ, 1997. - 315 с.ill

18. Гольдберг В.М. Проницаемость и фильтрация в глинах. / Н.П. Скворцов. — М.: Недра, 1986.209 с.

19. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. Изд. 3-е. М.: Госстройиздат, 1973. -373 с.

20. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава.

21. ГОСТ Р 5132-98. Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества.

22. ГОСТ 24143-80. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки.

23. ГОСТ 25584-90. Грунты. Методы лабораторного определения коэффициента фильтрации.

24. ГОСТ 17.4.3.04-85. Охрана природы. Почвы. Общие требования к контролю и охране от загрязнения.

25. ГОСТ 12071-00 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов.

26. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы, почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения.

27. ГОСТ 17.4.1.03-84. Охрана природы. Почвы. Термины и определения химического загрязнения

28. ГОСТ 20522-96. Грунты. Метод статистической обработки результатов испытаний.

29. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

30. ГОСТ 30416-96. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения.

31. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

32. Гуман О.М. Осадки водоподготовки, их свойства и технологии переработки (на примере города Екатеринбурга) / О.М. Гуман, М.Н Томин. // Техногенез и экология. Информационно-тематический сборник. Екатеринбург, 2002. - С. 47-51.

33. Гуман О.М. Рекультивация нарушенных земель осадками водоочистки МУЛ «Водоканал» г. Нижнего Тагила. / О.М. Гуман, В.Р. Извольский. —j

34. Екатеринбург: ООО «Уралгеопроект», 2004. 56 с.

35. Гуман О.М. Рекультивация нарушенных земель осадками водоподготовки / О.М. Гуман, М.Н Томин , Е.В. Крыльцов, Е.В. Петропавловская // Экологические проблемы промышленных регионов. Материалы Всероссийской конференции. Екатеринбург, 2004. — С. 207-208.

36. Гуман О.М. Рекультивация нарушенных земель осадками водоподготовки. / О.М. Гуман, Н.Г. Бондаренко, А.Б Макаров. // Проект инженерно-геологических и инженерно-экологических изысаний. Екатеринбург: ООО «Уралгеопроект», 2002. - 97 с.

37. Гуман О.М. Физико-механические свойства осадка водоподготовки / О.М. Гуман, М.Н. Томин. // Экологические проблемы промышленных регионов. Екатеринбург, 2003. - С. 264-265.

38. Гуменский Б.М., Новожилов Г.Ф. Тиксотропия грунтов и ее учет при проектировании и строительстве автомобильных дорог и мостов. — М.: Автотрансиздат, 1961. — 108 с.

39. Дриженко А.Ю. Восстановление земель при горных разработках. М.: Недра, 1985.207 с.

40. Духин С.С. Электроповерхностные явления и электрофильтрование. С.С. Духин, В.Р. Эстрела-Льопис, Э.К. Жолковский. Киев: Наукова думка, 1985. 181с.

41. Егоров С.Н. Физико-механические свойства старичных грунтов района Волжской ГЭС. / С.Н. Егоров, К.М. Панова. // Слабые грунты. Таллин, 1965.-с. 87-91

42. Жмаков Г.Н. «Оптимизация технологического процесса обработки осадков водопроводных станций на очистных сооружениях коммунальной канализации» / Г.Н. Жмаков, М.Г. Хамидов // http://www.msnauka.com/NTSB2006/Stroitelstvo/7zhmakov%20g.n.doc.htm

43. Запольский А.К. Очистка городских сточных вод основным сульфатом алюминия. // Химия и технология воды. Т.9, N2,1987. с.35-37.л

44. Звягинцев Д.Т. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями. М.: изд-воМГУ, 1973. - 173 с.

45. Зиангиров Р.С., Трофимов В.Т. Принципиальные вопросы построения общей классификации грунтов (к пересмотру ГОСТа 25100-82. Грунты. Классификация) // Геоэкология, № 3, 1995.

46. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. М.: изд-во МГУ, 1969.- 156 с.

47. Злочевская Р.И., Электроповерхностные явления в глинистых породах. / Р.И. Злочевская, В.А. Королев. М.: Изд-во МГУ, 1988. - 177 с.

48. Колесников Б.П. Рекультивация техногенных ландшафтов. // Человек и среда обитания. Л.: Стройиздат, 1974. - 232 с.

49. Колесников Б.П., Моторина Л.В. Рекультивация земель, нарушенных промышленностью: Проблемы оптимизации техногенных ландшафтов. Информационное письмо Отделения общей биологии АН СССР, 1974.

50. Колтунов М.А. Ползучесть и релаксация. М.: Высшая школа, 1976.173 с.

51. Коновалова Н.Г. А.с. N 1632946. Способ получения адсорбентов для очистки сточных вод от нефтепродуктов. / Н.Г. Коновалова, А.П. Зосин, Т.И. Приймак. // Опубл. в Б.И., 1990, N 27. С. 54.

52. Кононова М.М. Органическое вещество почв, его природа, свойства и методы изучения. М.: изд-во АН СССР, 1963. - 314 с.

53. Королев В.А. Влияние температуры на адсорбцию влаги в глинистых грунтах//Вопросы инженерной геологии и грунтоведения. Вып. 5. М.: Изд-во МГУ, 1983.

54. Котлов Ф.В. Город и геологические процессы. / Котлов Ф.В., И.А. Брашнина, М.К. Сипягина. М.: Наука, 1967. - 226 с.

55. Котлов Ф.В. Классификация антропогенных отложений. // Инженерно-геологические процессы и явления и их значение для строительства. М.: Стройиздат, 1963, С. 9-14.

56. Котлов, Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека / Ф.В. Котлов. М.: Недра, 1978. - 263 с.

57. Кульский Л.А. Химия и микробиология воды. / Л.А. Кульский, Т.М. Левченко, М.В. Петрова Киев: Вища школа, 1971. -292 с.

58. Кульчицкий Л.И. Физико-химические основы формирования свойств глинистых пород. / Л.И. Кульчицкий, О.Г. Усьяров. М.: Недра, 1981.-268 с.

59. Липунов И.Н. Основы химии и микробиологии природных и сточных вод. — Екатеринбург. Уральская гос. лес.-тех. академия, 1995. 212 с.

60. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. Л.: Недра, 1970. - 364 с.

61. Лупейко Т.Г., «Применение шлама водоподготовки тепловых электростанций в качестве сорбента» / Т.Г. Лупейко, Е.М. Баян, М.О. Горбунова. — Ростовский государственный университет.

62. Лыков А.В. Теория сушки. — М.: Госэнергоиздат, 1950. — 416 с.

63. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. -М.: Энергия, 1972.—213 с.

64. Лысенко М. П. Состав и физико-механические свойства грунтов. М: Недра, 1980.-272 с.

65. Любарский В.М. «Очистка и обеззараживание питьевой воды» / В.М. Любарский, И.Н. Рыбников. // Министерство жилищно-коммунального хозяйства РСФСР. Обзорная информация. -М., 1972. С. 18-21.

66. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М.: Минздрав СССР, 1987. - 147 с.

67. Мосьяков Е.Ф. Структура илов и их деформационные свойства. / Строительство на слабых водонасыщенных грунтах. Одесса, 1975. — с. 31-37.

68. Нечаева Н.Н. Использование природных и техногенных грунтов при рекультивации открытых горных выработок / Н.Н. Нечаева, М.Н.Томин // Известия вузов. Горный журнал-2007-№3. — С. 71-77.

69. Николадзе Г.И. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. / Г.И. Николадзе, Д.М. Минц, А.А. Кастальский. М.: Высшая школа, 1984 г. - 142 с.

70. Обработка осадков природных и сточных вод. Сборник научных трудов. -М.: АКХ им. Панфилова, 1986.

71. Озерные карбонаты нечерноземной зоны СССР. Межвузовский сборник научных трудов. Пермь: Изд-во Пермского политехнического института, 1985. - 160 с.

72. Осипов В.И. Природа прочностных и деформационных свойств глинистых пород. -М.: Изд-во МГУ, 1979.

73. Охотин В.В. Физические и механические свойства грунтов в зависимости от их минерального состава и степени дисперсности. — JL: Гушосдор, 1937.- 120 с.

74. Передельский JI.B., Ананьев В.П. Набухание и усадка глинистых грунтов. / JI.B. Передельский, В.П. Ананьев. Ростов-на-Дону, 1973.

75. Перельман А.И. Геохимия ландшафта / А.И. Перельман. М.: Высшая школа, 1975.-342 с.

76. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. / Под ред. Е.Д. Щукина. М.: Изд-во МГУ, 1988. - 279 с.

77. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85) / СОЮЗДОРНИИ Минтрансстроя СССР. М.: Стройиздат, 1989. - 167 с.

78. Разнощик В.В. Проектирование и эксплуатация полигонов для твердых бытовых отходов. -М.: Стройиздат, 1981. — 104 с.

79. Роза С.А. Свойства ила, слагающего основание земляной плотины. // Гидротехническое строительство. № 3, 1954. С. 34-38

80. Рубинштейн А.Я. Иженерно-геологические особенности сапропелевых отложений. М.: Наука, 1971. - 128 с.

81. Руководство по контролю качества питьевой воды. Всемирная организация здравоохранения. — Женева, 2001. — 251 с.

82. Савельев В.И. Свойства илов как естественных оснований сооружений. / Гидротехническое строительство, № 2, 1951. С. 39-42

83. Сапропелевые месторождения СССР. М.: Гипроторфоразведка, 1964. -236 с.

84. Сипидин В.П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. / В.П. Сипидин, Н.Н. Сидоров. JI.-M.: Стройиздат, 1963. - 132 с.

85. Сорокина Г.В. Физико-механические свойства морских илов. // Труды НИИ оснований и подземных сооружений, сб. 42, 1960. С. 26-35

86. Стапренс В .Я. Некоторые вопросы технической мелиорации органо-минеральных грунтов. Рига: изд-во АН ЛатвССР, 1956. - 99 с.

87. Страхов Н.М. Образование осадков в современных водоемах / Н.Г. Бродская, Л.М. Князева и др. М.: изд-во АН СССР, 1954. - 192 с.

88. Томин М.Н. Физические свойства осадка водоподготовки и динамика его изменения под действием внешней среды // Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Сергеевские чтения, выпуск 10. М., 2008. - С. 94-100.

89. Торошечников Н.С. Техника защиты окружающей среды. / Н.С. Торошечников, А.И. Родионов, Н.В. Кельцев. -М.: Химия, 1981 г. 117 с.

90. Физико-механические свойства донных осадков Черного моря. -Киев: Наукова думка, 1981. — 86 с.

91. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. JI.: Химия, 1974. - 347 с.

92. Хазанов М.И. Искусственные грунты, их образование и свойства. — М.: Наука, 1975.- 134 с.

93. Хамидов М.Г. Технологическое взаимодействие коммунальных систем водоподготовки и канализации в процессах очистки воды и обработки осадков. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н. М.: изд-во МГСУ, 2007 г.-56 с.

94. Харлампович Г.Д. Охрана и рациональное использование окружающей среды. Г.Д. Харлампович, В.Г. Березюк, И.Н. Липунов. Екатеринбург: Уральский гос. университет, 1993. — 112 с.

95. Хатчинсон Д. Лимнология. -М.: Прогресс, 1969, 392 с.

96. Чибрик Т.С. Основы биологической рекультивации. — Екатеринбург: изд-во Уральского университета, 2002. 184 с.

97. Шукле JI. Реологические проблемы механики грунтов. М.: Стройиздат, 1973.-485 с.

98. Mitchell J.K. Fundamentals of of Soil Behavior. Berkeley, Univ/ of California, 1976.247 c.

99. Sludge treatment, utilization, and disposal / Bowen P.T., Hendrick J.E., Woodward Th.A., Mitchel L.S., Lahlou M.P. // J. Water Pollut. Control Fed. №6. 1989.-P. 43-55.