Практика рекультивации полигона промышленных токсичных отходов СПб ГУПП «Полигон «Красный бор»

В 60-х г. г. прошлого столетия возникла необходимость в создании предприятия по централизованной переработке и захоронению промышленных токсичных отходов, возникающих в результате деятельности предприятий Ленинграда и Ленинградской области. Такая мера позволила бы локализовать источники загрязнения окружающей среды в одном, специально обустроенном месте и вынести мощности по их переработке за пределы городской черты, организовав комплексный подход к утилизации особо опасных отходов производства.

В 1967 г. Ленинградским городским Исполнительным Комитетом было принято решение о создании экспериментального предприятия— полигона «Красный Бор», срок службы которого рассчитывался на 5 лет, а опыт эксплуатации предполагалось учитывать при проектировании других подобных производств. С этой целью в междуречье рек Тосна и Ижора, на территории Тосненского р-на, в 6,5 км к юго-востоку от г. Колпино и в 30 км от Ленинграда был выделен участок площадью около 70 га. Рельеф участка равнинный, с незначительным понижением в северном направлении. В геологическом строении принимают участие четвертичные отложения мощностью до 2,0 -7,0 м, подстилаемые кембрийскими глинами, имеющими в этом районе мощность более 80,0 м. Территория заболочена и покрыта редколесьем. Ближайшие населенные пункты п. Никольское (2,5 км.), п. Красный Бор (1,5 км.) и деревни Феклистово и Мишкино (1,2 км.). Эта площадка была выбрана из нескольких предложенных по ряду технико-экономических показателей (близкое залегание естественного водоупора, небольшие расстояния до поставщиков отходов, развитость внешней инфраструктуры, и т. п.).

Основной операцией по хранению опасных отходов на полигоне служит размещение твердых, пастообразных и жидких отходов в открытых котлованах— картах, отрываемых в массиве кембрийской глины. Жидкие промышленные токсичные отходы предполагалось выпаривать на специальных печах, при этом, горючую органическую часть поступающих на полигон отходов, отслоившуюся при отстаивании в картах предполагалось использовать в качестве дополнительного топлива.

Уже первые годы эксплуатации показали недостатки используемой технологии, связанные с тем, что открытые котлованы постоянно дополнительно пополняются водами атмосферных осадков (ежегодно в среднем слоем 300 мм), существенно увеличивая объемы загрязненых вод, подлежащих выпариванию.

Однако, полигону так и не было создано какой-либо альтернативы, и он продолжал эксплуатироваться. К середине 90-х г. г. возможности территории полигона по размещению новых карт были полностью исчерпаны.

В общей сложности на территории размещено более 50 карт-котлованов, из которых в настоящее время 5— действующих (№ 64, № 68— прием жидких органических отходов и твердых отходов; № 66, № 67, № 59— прием жидких гальванических отходов). Параметры действующих карт представлены в табл. 1. Действующие карты занимают 5% (3,9 га) от общей площади полигона.

В 90— е г. г., для решения сложившейся проблемы на территории полигона был запроектирован завод по переработке жидких промышленных токсичных отходов.

В проекте строительства завода рассмотрен ряд актуальных вопросов, касающихся территории размещения карт, в частности:

предложена технология закрытия карт инертными материалами— отходами производств, с последующим перекрытием их слоем слабоводопроницаемых глин из отвалов, образованных при разработке карт;
предложены мероприятия по схеме и конструкции водообустройства территории, по которой кольцевой канал расчищался и оборудовался лотками, а внутренние каналы— кюветы углублялись, оборудовались лотками, их откосы бетонировались;
запроектированы очистные сооружения, учитывающие объемы образующегося на этой части территории поверхностного стока.

Единая концепция по рекультивации территории, занятой картами и дальнейшему ее использованию в проекте завода не разрабатывалась.

С конца 90-х годов на территории полигона было начато строительство завода, и одновременно реализовывались запроектированные мероприятия по рекультивации, которые по факту свелись к следующему:

1. На практике процесс закрытия карт представлял собой размещение в заполненных жидкими промышленными токсичными отходами груновых емкостных сооружениях различных твердых отходов: шламов металлургических производств, строительного мусора, резино-технических отходов, щепы, коры, опилок, бочек с остатками нефтепродуктов и лако-красочных материалов, боя люминисцентных ламп и др.

Все эти материалы сгружались на краю закрываемой карты и бульдозером, пионерным способом сталкивались под уровень ее содержимого. Отжимаемая жидкость перекачивалась либо в другую, более свободную карту, либо на выпаривание. По завершению заполнения карты этими материалами, она сверху укрывалась слоем глинистого материала.

В результате такого хаотичного складирования разнообразных веществ происходят неуправляемые химические процессы, в том числе разложение органических веществ с газообразованием. В процессе закрытия карт

в толще массива отходов происходит выдавливание загрязненной жидкой и пастообразной массы на дневную поверхность, а в процессе уплотнения и консолидации масс, содержащихся в карте, происходят значительные деформации всего объема с изменением структуры накопленных отходов. Образуется сложный геотехнический массив со слабой несущей способностью без выдержанных характеристик и параметров, приводящих к многолетним деформациям поверхности закрытой карты.

Кроме того, поскольку карты для повышения их емкости обваловывались дамбами высотой до 4,0 -5,0 м, отметки закрытых карт местами

на 5,0 -7,0 м превышают планировочную отметку территории полигона.

Так же, ситуация усугубляется еще и тем, что обваловка карт произведена без соответствующей подготовки основания. Конкретно, не убран имеющий на территории полигона повсеместное распространение прослой песков, залегающий непосредственно над кембрийскими глинами и водонепроницаемыми моренными отложениями.

Эти пески служат коллекторами для перетока загрязненного фильтрата как между закрытыми картами, так и за их пределы.

Таким образом, можно констатировать, что в результате реализованных мероприятий, в границах территории полигона, на которой произведено закрытие карт, произошло замещение природного грунта и сформирован геотехнический комплекс, обладающий высокой неоднородностью и характеризующийся хаотичным или линзовидным строением, сложной конфигурации

с неопределенными физическими и химическими характеристиками.

2. Выполнена реконструкция поверхностной проводящей сети— кольцевого канала и внутренних каналов (кюветов). Качество выполненных работ соответствует проекту. Система внутренних каналов в настоящее время бессточная.

3. Очистные сооружения построены, но в настоящее время не введены в эксплуатацию. Качество стока, формируемого на территории полигона не соответствует качеству стока, на которое они рассчитывались, а фактические показатели сточных вод превышают расчетные на 1−2 порядка.

На сегодняшний день в планировочном отношении территорию полигона можно разделить на две части (северную и южную), условная граница между которыми проходит вдоль трассы внутреннего канала по главной подъездной дороге (рис.1).

На северной части сосредоточены основные административно-производственные здания и сооружения (административный корпус, лаборатория, гаражи, автостоянка, пункт пропуска и контроля отходов, котельная, здания и сооружения завода по переработке токсичных отходов, действующие печи по сжиганию отходов и др.), для которых характерна территория со слабопроницаемой искусственной поверхностью (между сооружениями грунт покрыт асфальтом или бетоном) и с незначительным количеством газонов.

Южная часть, составляющая около 60% (46 га) общей площади полигона, представляет собой территорию бывших и действующих карт с большой мощностью техногенных грунтов, характеризующимися разнообразными физико-механическими характеристиками. Закрытые карты и небольшие участки между ними, представляют плохо спланированную, слабоуклонную, с множеством замкнутых понижений слабоводопроницаемую поверхность, покрытую местами редкой травянистой растительностью. На поверхности закрытых карт наблюдаются повышения, западины, блюдца, неровности высотой более 30 см и другие формы микрорельефа. Восточная часть площадки представляет собой частично заболоченное мелколесье и захламлённую насыпную поверхность, покрытую травянистой растительностью и редким кустарником.

Вся территория «перерезана» искусственными каналами (сеть дренажных каналов вокруг карт, транспортирующий канал), дорогами. Естественные тальвеги, пересекавшие полигон в южном и юго-западном направлении засыпаны. На крутых откосах обваловок и поверхности закрытых карт идут процессы водной эрозии— повсеместно развиваются промоины, рытвины.

Отсутствие растительного покрова на закрытых картах приводит к существенным суточным температурным перепадам на поверхности грунтового перекрытия и образованию глубоких трещин из-за чередования циклов набухания и усадок. На территории ярко выражен перенос снега, выдувание которого на отдельных участках приводит к морозному пучению в зимний период.

На открытых картах нередки случаи самовозгорания отходов, самые крупные пожары произошли в июне 2006 и в мае 2008 г. г., когда площадь возгорания составила около 3 га, а едкий, ядовитый дым распространился на десятки километров. Именно южной части полигона требуется незамедлительная рекультивация.

Очевидно, что мероприятия, заложенные как рекультивация на стадии проектирования полигона, а в последствии и завода по переработке промышленных токсичных отходов оказались недостаточными и мало эффективными, а отсутствие на полигоне действующих очистных сооружений и элементарного водообустройства на закрытых картах еще более усугубляют экологическое положение.

Изложенные обстоятельства и особенности формирования поверхностного стока на территории ГУПП «Полигон «Красный Бор» позволяют судить о том, что на сегодняшний день основным источником загрязнений района являются не отдельные карты, расположенные на полигоне, а сам полигон в его современных пределах.

Следует отметить, что оптимальное время на проведение природоохранных мероприятий на полигоне безнадежно упущено. Недостатки, заложенные при организации полигона, привели (по скромным оценкам экспертов) за 40 лет эксплуатации к поступлению с его территории в поверхностные и подземные воды около 14 млн. м3 загрязненных стоков.

Таким образом, можно констатировать, что с организацией полигона «Красный Бор» источники загрязнения окружающей среды локализованы в одном, специально обустроенном месте; мощности по их переработке вынесены за пределы городской черты; организован комплексный подход к утилизации особо опасных отходов производства, однако, проблема защиты природных вод от загрязнения не решена, и значительная часть принятых жидких промышленных отходов и значительная часть фильтрата принятых для закрытия карт твердых и пастообразных промышленных отходов попали в поверхностные и подземные воды.

Кроме того, недальновидность и стремление максимально использовать естественные благоприятные условия для размещения отходов привели к тому, что в конструкции как полигона в целом, так и каждой карты в отдельности не заложен ни один элемент (ни с точки зрения водообустройства подземного контура, ни с точки зрения надежности и устойчивости ограждающих конструкций, ни с точки зрения создания геотехнических массивов если не с заданными, то хотя бы с однородными характеристиками, ни с точки зрения очистки сточных вод и др.), который сегодня позволил бы задействовать его для рекультивации.

На сегодняшний день это приводит к существенному удорожанию эффективной конструкции рекультивации полигона, а некоторые ее элементы становятся похожими на мероприятия по ликвидации аварийной ситуации на промышленном объекте.

Справедливости ради, следует отметить, что такая обстановка присуща не только для ГУПП «Полигон «Красный Бор», но и для большинства полигонов размещения отходов различных видов по всей России, которые характеризуются отсутствием предварительной инженерной подготовки как в части организации поверхностного и подземного стока так и в части организации фильтрата их масс отходов.

Переходя к решению конкретных задач рекультивации необходимо рассматривать территорию объекта размещения отходов как единую природно-техническую систему (ПТС), обладающую особыми качественными и количественными характеристиками, иногда достаточно неопределенными, например химический состав или физико-механические показатели геотехнических массивов, что значительно осложняет принятие окончательного решения.

Основной задачей комплексного подхода к рекультивации является придание существующей природно-технической системе новых качеств, которые сделают ее экологически безопасной, т. е. способной сохранять или восстанавливать равновесие связей и параметров внутренних природных компонент, а также обеспечивать стабильное функционирование технических систем инженерной защиты, которые она вмещает, при воздействии различных природных и техногенных факторов.

В конце 90-х г. г. прошлого века ГУПП «Полигон «Красный Бор» перешел под юрисдикцию Комитета по природопользованию, охраны окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга, которым было принято решение о разработке новых технических решений по рекультивации полигона. С этой целью в 2002 г. в районе карты № 39 был организован опытный участок, на котором нами было внедрено разделение условно чистого поверхностного и загрязненного подземного стока (фильтрата). Также на опытном участке были опробованы современные геосинтетические материалы, различные варианты дренажных элементов и способы их укладки, варианты устройства лотковой сети для перехвата поверхностных вод и т. д. Эти наработки позволили в 2005—2007 гг. г. разработать более современный проект и приступить к рекультивации карты № 70, имеющей другие по сравнению с 39 картой условия: плановое и высотное положение, давность закрытия, степень консолидации геотехнического массива. Это обусловило различия в подходе по разработке практических проектных решений, сохранив при этом идеологию в целом. Сравнительный анализ проектных решений приведен в табл. 2.

На основании имеющего опыта по обустройству техногенно-нагруженных территорий, а также результатов наблюдений, полученных на опытном участке в районе карты № 39 и карты № 70, можно сделать вывод о том, что на территорию полигона распространяются основные принципы (технические решения), применяемые нами для рекультивации сильно загрязненных земель:

организация системы отведения поверхностного стока;
гидроизоляция для предотвращения неорганизованного контакта атмосферных осадков с загрязненным геотехническим массивом;
организации системы стока загрязненных подземных вод (фильтрата);
стабилизация осадок искусственных геотехнических массивов (свалочных масс) с низкими прочностными характеристиками для закрепления планировочных отметок территории;
газоотведение образующегося в толще захороненного массива биогаза (там, где есть органическая составляющая);
система мониторинга;
регламент по эксплуатации рекультивированного объекта.

При разработке генеральной схемы рекультивации рассматривалась южная часть полигона, северная часть территории подлежит лишь благоустройству. Конкретно для рекультивируемой южной части полигона промышленных токсичных отходов СПб ГУПП «Полигон «Красный бор» технические решения выглядят следующим образом:

Система организации поверхностного стока осуществляется посредством:

планировок поверхности, с созданием ритмичной системы гряд, с шагом 50−100м, для ускорения поверхностного стока;
созданием ложбинной сети, усиленной по тальвегам железобетонными лотками для ускоренного транспорта поверхностных вод;
созданием системы надэкранного горизонтального систематического дренажа для сбора и отвода вод профильтровавших через верхний грунтовый слой поверхностных дождевых вод в летне-осенний период;
созданием системы дренажных коллекторов для транспорта условно чистого надэкранного дренажного стока;
магистрального коллектора поверхностного стока, с подачей на очистные сооружения.

Гидроизоляция для предотвращения неорганизованного контакта атмосферных осадков с загрязненным геотехническим массивом осуществляется устройством сплошного экрана из геосинтетических материалов (геомембраны, бентоматы) по всей поверхности изолируемых масс.

Геосинтетические материалы укладываются на спрофилированную поверхность свалочных масс по выравнивающему слою песка и защищаются от внешних воздействий защитным грунтовым экраном

Система организации стока загрязненных подземных вод (фильтрата) осуществляется путем устройства систематического горизонтального дренажа в приповерхностном слое свалочных масс, который усиливается пластовым дренажем.

Загрязненный дренажный сток собирается в дренажные коллекторы.

Весь загрязненный дренажный сток собирается в магистральный дренажный коллектор, с подачей на очистные сооружения.

Стабилизация несущей способности содержимого рекультивируемых карт осуществляется путем создания стабилизирующего слоя по поверхности геотехнического массива, который состоит из подготовительного выравнивающего слоя из песка; георешетки и слоя щебня, который может одновременно выполнять функцию пластового дренажа.

Система газоотведения осуществляется выполнением сети вертикальных газоприемных скважин в теле геотехнического массива.

Предлагается мероприятия по рекультивации проводить в несколько этапов, что позволит разбить выполняемые работы на отдельные законченные элементы и разнести финансовые вложения по времени.

Первый этап. На первом этапе предлагается выполнить инженерно-технические работы так называемого «нулевого цикла»:

устройство внутреннего дренажа из пластмассовых перфорированных труб диаметром 100 мм для перехвата, сбора и отвода потенциально токсичного загрязненного фильтрата к закрытому магистральному коллектору на очистку;
строительство закрытого магистрального коллектора загрязненного фильтрата со смотровыми колодцами для организации мониторинга;
закладка закрытого магистрального коллектора поверхностных вод; водосборных, водосливных колодцев и колодцев-отстойников;
организация новых 3-х ступенчатых очистных сооружений (на сопредельной территории) и реконструкция старых очистных сооружений.

Второй этап включает в себя большой объем земляных работ, однако при проведении планировочных работ появляется возможность использовать инертные материалы (мелкий строительный мусор, шлам, золу, отходы производства дорожных работ и др.), что позволит утилизировать по предварительным оценкам несколько десятков млн. м3 отходов. Вся рекультивируемая территория условно поделена на 9 участков, примерно повторяющих порядок закрытия карт. Таким образом, при недостаточном финансировании, можно работы проводить отдельно по каждому участку, сохраняя главное генеральное направление с востока на запад территории:

тщательная планировка рекультивируемой территории;
устройство дренажного слоя толщиной 20 см из щебня по поверхности закрываемых карт;
закладка газоотводящих элементов;
устройство стабилизирующего слоя с применением геосинтетического материала— георешетки;
укладка по дренажному слою из щебня противофильтрационного геосинтетического материала— геомембраны;
отсыпка на противофильтрационный элемент слоя минерального потенциально плодородного грунта мощностью 1,0−1.2 м с поверхностным уплотнением (отсыпка производится минерального грунта пионерным способом, при помощи бульдозеров на болотном исполнении);
устройство в теле минерального грунта открытых водосборных и водосбросных железобетонных лотков размером 30×30 см и 40×40 см для отвода поверхностных вод, связанных с атмосферными осадками (дожди, таяние снегов);
нанесение на спланированные рекультивируемые территории слоя почвенно-растительного грунта толщиной 10 см;
внесение удобрений, посев семян многолетних трав и их заделка в грунт.

На третьем этапе организуется эксплуатационная инфраструктура:

эксплуатационные дороги;
организация освещения;
охрана и сигнализация;
система пожаротушения.

Четвертый этап— это организация системы мониторинга состояния рекультивированных карт, в том числе качества и количества отводимых сточных вод:

установка осадочных марок;
установка пьезометров по намеченным створам;
устройство смотровых колодцев;
оборудование экспресс-лаборатории.

Таким образом, возникает новое сооружение более экологически чистое с новыми техническими параметрами, но для которого необходима высокотехническая эксплуатация, включающая в себя: обслуживание очистных сооружений, регулярный мониторинг, охрану, инженерно-технические службы, поддерживающие инфраструктуру объекта (эксплуатационные дороги, электричество, связь, водопровод, канализация и др.).

В целом реализацию всех мероприятий по рекультивации планируется выполнить в течение 10 лет.

Предложенный комплекс мероприятий по рекультивации территории размещения карт на полигоне промышленных токсичных отходов «Красный Бор» соответствует мировому уровню природоохранных мероприятий на подобных объектах. По его реализации уровень загрязнения природных вод снизится не менее чем в 500 раз.