Геохимические особенности свалочного грунта зоны складирования твердых бытовых отходов

В настоящее время во всех странах мира захоронение на свалках является наиболее распространенным, экономичным и удобным способом утилизации твердых бытовых отходов (ТБО), по сравнению с их сжиганием (Advancing…, 2020; Shilkina, 2020; Nosike, Ijoma, 2025; Banunle et al., 2023; Kumar et al., 2023). В России около 50 тыс. га занимают работающие полигоны, 60 тыс. га составляет площадь закрытых после рекультивации мест складирования ТБО. Дополнительно

ежегодно отчуждается более 1 тыс. га для выделения новых и расширения старых участков размещения бытового мусора.

Нехватка места для размещения новых свалок не является ключевой проблемой. Основное эколого-геохимическое воздействие связано с влиянием свалок на окружающую среду. С течением времени в теле свалки происходят физические, химические и биохимические реакции, в результате которых образуются фильтрат, газ, тепло, появляется объемная деформация тела свалки. Наблюдается отжатие поровой воды, изменяется давление газа и происходит миграция веществ на полигоне (Hu et al., 2024; Siddiqui et al., 2024; Lindamulla et al., 2022). В процессе преобразования свалочного грунта (СГ) химические элементы переходят в подвижное состояние и мигрируют на окружающие территории. В среднем на тонну отходов образуется 2.5 м3 сточных вод — концентрат с токсичными примесями (Лобачева и др., 2005). Это обусловливает необходимость изучения подвижных форм химических элементов, которые аккумулируются в поровом пространстве СГ, мигрируют под воздействием дождя и снега и поступают в воды водоотводных каналов и водоносные горизонты.

При этом если часть подвижных элементов вымывается из тела свалки, то другая часть может оставаться в СГ в виде новообразованных минералов. Жидкая компонента свалочного тела является важной составной частью свалочных грунтов. Она является мобильной и экологически значимой в связи с тем, что переносит подвижные формы химических элементов и является результатом взаимодействия компонентов системы «СГ — живое вещество — газ» (Путилина и др., 2005; Ножевникова и др. 2019; Wei et al., 2007).

Ранее проведенными исследованиями (Подлипский, 2010) были изучены полигоны ТБО в Гатчинском, Тосненском и Выборгском районах Ленинградской области, где мусор складируется без разделения и измельчения. В данной работе рассмотрена зона складирования отходов завода по механизированной пере- работке бытовых отходов МПБО-2 (Санкт-Петербург), производственный цикл которого предусматривает сортировку и измельчение ТБО, что позволяет складировать большие объемы мусора. Также, по данным И. И. Подлипского, жидкая компонента свалочного тела формируется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков; дополнительный вклад вносят отжим влаги из твердых компонентов отходной массы под давлением вышележащих слоев и вода, образующаяся при биохимической трансформации органического вещества. Для полигонов ТБО приводится ориентировочное соотношение этих источников: около 60, 30 и 10 % соответственно. Количественное содержание жидкой компоненты в свалочных грунтах Санкт-Петербурга и Ленинградской области составляет около 50–55 % (Подлипский, 2010).

Целью исследования являлось изучение геохимических особенностей разновозрастных грунтов зоны складирования твердых бытовых отходов для полигона, предусматривающего сортировку и измельчение, с оценкой степени накопления токсикантов и их миграции в окружающую среду.

Объект и методы исследования

Объектом исследования является СГ полигона ТБО крупного мегаполиса. Завод МПБО-2 расположен на северо-западной окраине Санкт-Петербурга (рис. 1). Он был введен в действие в 1994 г. Проектная мощность 1-й очереди составляет 600 тыс. м3 в год. В настоящее время мощности позволяют перерабатывать 1.7 млн м3 в год ТБО, что составляет 26 % общего количества отходов, образующихся в Санкт-Петербурге. Площадь складирования составляет более 1.5 км2.

Отходы поступают на мусороперерабатывающий завод, из них извлекают металлическую составляющую (магнитный метод), пластик, стекло, картон (вручную). Остальная часть дробится на щековой дробилке до размера 1 см; бульдозер формирует трапециевидные тер-

Рис. 1. Схема пробоотбора свалочных грунтов и воды водоотводных каналов

Fig. 1. Sampling scheme for landfill soils and water from drainage channels

риконы, разделенные водоотводными каналами. В результате складирования образуется СГ, который состоит из органической составляющей, минералов и частиц техногенного происхождения. Для исследования были выбраны зоны складирования, различающиеся по времени захоронения. Молодые терриконы (возраст складирования 2 года) имеют высоту около 10 м, слежавшиеся отложения (более 20 лет) — около 5 м. Молодые отложения покрыты травянистой растительностью, имеют тонкий слой грунта. Слежавшиеся отложения представлены плотными черными грунтами, поросшими мхом и молодым лесом. Между терриконами находится сеть водоотводных канав, которые соединяются с каналами, расположенными по периметру. (рис. 1). Материалом для исследования являются: а) свалочный грунт разного периода захоронения (2 и 20 лет, всего 50 проб); б) вода водоотводных каналов (54 пробы).

Методы исследования

Отбор проб СГ проводили в соответствии с ГОСТ 12071. Пробы отбирали после удаления растительного покрова из верхней части техногенного субстрата. По полевому наблюдению на участке 2-летних терриконов мощность почвоподобного поверхностного слоя составляла около 1–3 см; в связи с малой мощностью этого слоя материал собирали с площади около 1 м² до получения навески, достаточной для лабораторных исследований. На участке 20-летних отложений почвоподобный слой был выражен сильнее и имел мощность около 30–50 см; пробы отбирали с глубины 10–15 см после удаления мохового и растительного покрова. Такой подход позволил сопоставить поверхностно преобразованную часть СГ на участках разного возраста.

Макроскопическое описание выполнено под бинокуляром. Гранулометрический анализ произведен ситовым методом в соответствии с ГОСТ 12536-2014. Определение гигроскопической влажности почвы выполнено при температуре 100–105 °С. Плотность сложения СГ в ненарушенном состоянии определяли по отношению массы высушенного образца к его объему, отобранному в полевых условиях с использованием цилиндрических пробоотборников известного объема. Содержание общего углерода и его органической составляющей оценивали с помощью сухого озоления при температурах 900 и 550 °С соответственно, гумусовой составляющей — методом И. В. Тюрина в модификации В. Н. Симакова.

Для оценки содержания макро- и микроэлемент-ного состава воздушно-сухие пробы свалочного грунта предварительно усредняли, затем измельчали на лабораторном измельчителе до размера частиц менее 0.074 мм. Для определения петрогенных оксидов пробы сплавляли с метаборатом лития, далее таблетки анализировали на волнодисперсионном рентгенфлуорес-центном спектрометре EDX-800P. На основании данных о содержании петрогенных оксидов в пробах бы- ли рассчитаны индексы химического выветривания:

CIA =

AI2O3

(AI2O3 4" CclO Ч^- NQ.2O 4~ K20^

Для анализа микроэлементов образцы растворяли в смеси азотной, соляной и фтороводородной кислот особой чистоты, дополнительно очищенных перегонкой. Анализ подготовленных растворов проводили методом ИСП МС на приборе Agilent-7700 в Центральной лаборатории Всероссийского научно-исследовательского геологического института им. А. П. Карпинского (сертифицированная «Методика № 10»). Для оценки накопления элементов в свалочных грунтах рассчитывали кларки концентрации КК, представляющие собой отношение среднего содержания элемента в СГ к его среднему содержанию в почвах мира (по: Kabata-Pendias, Mukherjee, 2007).

, (3)

^фон, t где Сi — среднее содержание элемента i в свалочном грунте (мг/кг), Сфон, i — среднее содержание i в почвах (мг/кг).

Значения КК > 1 рассматривались как показатель накопления элемента относительно фонового уровня.

На основании значений КК определяли суммарный показатель загрязнения Zc по методическим рекомендациям (Методические…, 1982).

где КК _i — кларк концентрации элемента i , n — число элементов, включенных в расчет.

Интерпретацию значений Z_c выполняли по шкале, принятой в методических рекомендациях по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами: менее 16 — допустимое загрязнение, 16–32 — умеренно опасное, 32–128 — опасное, более 128 — чрезвычайно опасное (Методические рекомендации…, 1982).

Для выявления физико-химических свойств и состава водорастворимой фракции разновозрастных СГ были приготовлены водные вытяжки из образцов СГ при соотношении «грунт : вода» = 1 : 5 на основе двойного деионизированного дистиллята. Массовую долю водорастворимой фракции в водных вытяжках определяли выпариванием 50 мл раствора в предварительно взвешенной чашке Петри при 50 °С в термостате. Состав и содержание химических элементов в пробах воды из водоотводных каналов и аликвотах (10 мл) водных вытяжек СГ определяли методом ИСП МС на приборе Agilent-7700; величину рН — потенциометрическим методом. Массовые концентрации хлорид- и сульфат-ионов определяли титриметрическими методами гидрохимического анализа: хлориды — аргентометрическим титрованием, сульфаты — титриметрическим методом с хлоридом бария.

Для сравнительной оценки степени накопления элементов в водах водоотводных каналов рассчитывали коэффициенты накопления относительно предельно допустимых концентраций. Показатель определяли как отношение средней концентрации элемента в воде канала к его нормативному значению:

, (5)

где С_i — среднее содержание элемента i в водоотводных каналах (мг/л), ПДК _i — предельно допустимая концентрация элемента i в воде (мг/л).

Для вод водоотводных каналов рассчитывали коэффициенты превышения ПДК как отношение сред- него содержания элемента в воде к его нормативному значению по СанПиН 1.2.3685-21.

Интегральную оценку загрязнения воды выполняли с использованием индекса загрязнения воды ИЗВ, рассчитанного по наиболее значимым элементам, дающим максимальные превышения нормативов: Ti, Fe, Pb, Ni, Sb и Cr. Интерпретацию ИЗВ проводили по шкале (Методические…, 1988).

п

1 V Ci

,                    (6)

п£|ПДК[

(=1

где С_i — содержание элемента в воде водоотводных каналов, ПДК _i — предельно допустимая концентрация этого элемента, n — число определяемыъ элементов.

В соответствии с принятыми нормативами (Методические…, 1988) для величины ИЗВ существует следующая градация: чистые (0.25–0.75); умеренно загрязненные (0.75–1.25); загрязненные (1.25–1.75); грязные (1.75–3); очень грязные (3–5); чрезвычайно грязные (более 5).

Полученные данные обрабатывали с помощью пакета программ Statistica-5. Средние значения для каждого элемента вычисляли с учетом закона распределения (нормального или логнормального).

Результаты и их обсуждение

Физико-химические свойства разновозрастных СГ приведены в таблице 1. Проведенные исследования показали, что грунты существенно различаются по своим физическим параметрам. В частности, с возрастанием периода трансформации СГ происходит изменение их гранулометрического состава. В молодых отложениях на долю фракций более 1 мм приходится 8 %, в 20-летних преобладают фракции менее 1 мм, на их долю приходится 49 %. По мере формирования древесного растительного покрова на поверхности свалочных тел происходит уплотнение грунтов (у молодых от- ложений плотность сложения 0.53 г/см3, у 20-летних отложений — 1.58 г/см3). Гигроскопическая влажность в четыре раза выше в образцах грунта молодых отложений (3.82 %) по сравнению со слежавшимся (0.95 %).

Результаты определения потерь при прокаливании при 900 и 550 °С, гумусовой составляющей по методу Тюрина отражают показатель суммарной потери массы, связанный с удалением органического вещества и воды, разложением отдельных минеральных фаз и карбонатной составляющей. Для молодых отложений величина всех характеристик выше по сравнению со слежавшимися отложениями.

Для выявления состава новообразованных фаз была проведена сканирующая электронная микроскопия. Результаты некоторых фаз представлены на рисунке 2.

Наиболее часто встречаются оксиды и гидроксиды, сульфаты, фосфаты, карбонаты, галогениды Cu, Zn, Pb, Fe, Mn. Для молодых отложений характерны более простые минеральные формы и их меньшее разнообразие. В слежавшихся отложениях увеличивается минеральное разнообразие и сложность состава новообразованных минералов.

На основании данных о содержании петрогенных оксидов в пробах (таблица 2) были рассчитаны индексы химического выветривания, которые показывают степень химического преобразования СГ. Значения индексов CIW и CIA в слежавшихся грунтах в 3–4 раза выше, чем в грунтах молодого захоронения. Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о высокой степени физико-химических преобразований, произошедших со слежавшимися отложениями.

Для 2-летних СГ значения КК по всем изученным элементам превышают единицу (таблица 3), что указывает на накопление элементов относительно средних содержаний в почвах. В 20-летних СГ значения КК в целом ниже, чем в молодых отложениях, однако значения КК ниже единицы получены только для таких элементов, как Ni, Co, Cd и Sb. Следовательно, слежавшиеся СГ не являются полностью обедненными химическими элементам, но характеризуются снижением степени их техногенного накопления по сравнению с 2-летними отложениями. Наиболее выраженное уменьшение КК при переходе от молодых к слежавшимся СГ установлено для Cu, Zn, Pb, Co, W и Sn.

Таблица 1. Физико-химические характеристики разновозрастных свалочных грунтов Table 1. Physicochemical properties of different ages landfill soils

Характеристика Property	Период складирования свалочного грунта Landfill soil storage period
	2 года / 2 years	20 лет / 20 years
Объем выборки, n Sample volume, n	25	25
Плотность сложения, г/см3 Bulk density, g/cm³	0.53 ± 0.07	1.58 ± 0.12
Гигроскопическая влажность, % Hygroscopic moisture, %	3.82 ± 0.26	0.95 ± 0.09
Потери при прокаливании при t = 550 °С, % Loss on ignition at t = 550 °C, %	23.53 ± 10.21	6.05 ± 4.04
С гум , % С hum, %	2.82 ± 0.70	0.26 ±0.08

Рис. 2. Расшифровка результатов сканирующей электронной микроскопии частиц свалочного грунта: a — 1) вторичный минерал: вивианит (Fe₃(PO₄)₂·8H₂O), 2) подложка: апатит (Ca₅(PO₄)₃(OH,Cl,F)); b — 3) вторичный минерал: тенорит (CuO), 4) подложка: медная проволока; c — 5) вторичный минерал: гипс (CaSO₄ 2H₂O), 6) подложка: органическая матрица

Fig. 2. Interpretation of the results of scanning electron microscopy of landfill soil particles: a — 1) secondary mineral: vivianite (Fe₃(PO₄)₂·8H₂O), 2) substrate: apatite (Ca₅(PO₄)₃(OH, Cl, F)); b — 3) secondary mineral: tenorite (CuO), 4) substrate: copper wire; c — 5) secondary mineral: gypsum (CaSO₄·2H₂O), 6) substrate: organic matrix

На основании значений кларков концентрации был рассчитан суммарный индекс загрязнения разновозрастных свалочных грунтов. Величина Z с для свалочного грунта 2 лет составила 98.1, для 20-летнего СГ — 10.8. Таким образом, в соответствии с принятыми нормативами [Методические…, 1982], молодой сва- лочный грунт может быть отнесен к классу «опасный», а слежавшийся грунт — к классу «допустимый».

Полученные результаты хорошо согласуются с данными об интенсивности химического выветривания и физико-химическими свойствами разновозрастных отложений. Все полученные результаты свидетельству-

Таблица 2. Средние содержания петрогенных оксидов разновозрастных свалочных грунтов, %

Table 2. Average petrogenic oxide contents of landfill soils of different ages, %

Оксиды Oxides		Возраст свалочного грунта Landfill soil age		Чувствительность Sensitivity
		2 года / 2 years	20 лет / 20 years
SiO 2 TiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MnO MgO CaO Na 2 O K2O P 2 O 5 П.П.П. / LOI Сумма / Sum		18.79 ± 1.57 0.37 ± 0.08 4.77 ± 0.37 3.32 ± 0.53 0.06 ± 0.01 0.50 ± 0.28 14.39 ± 1.62 0.09 ± 0.01 1.35 ± 0.32 1.28 ± 0.17 55.08 ± 18.17 100.00	37.52 ± 12.42 0.33 ± 0.20 9.07 ± 3.39 14.51 ± 16.65 0.14 ± 0.11 0.44 ± 0.43 2.03 ± 1.42 0.13 ± 0.03 2.21 ± 0.79 0.25 ± 0.31 33.32 ± 11.12 100.00	0.1 0.03 0.1 0.1 0.03 0.1 0.03 0.2 0.03 0.05 0.2 –
О s	CIA (Nesbitt, Young 1982)	23.2 ± 2.63	67.5 ± 3.52	–
	CIW (Harnois, 1988)	24.8 ± 3.23	80.7 ± 5.81	–
Объем выборки, n Sample volume, n		25	25	–

Примечание: прочерк — нет данных.

Note: Dash — no data.

Таблица 3. Средние содержания и стандартные отклонения микроэлементов в разновозрастных свалочных грунтах, мг/кг

Table 3. Average contents and standard deviations of microelements in landfill soils of different ages, mg/kg

Химический элемент, мг/кг Chemical element, mg/kg	Возраст свалочного грунта Landfill soil age		Среднее в почвах* Average in soils*	Кларк концентрации (КК) Clark concentration (CC)
	2 года 2 years	20 лет 20 years		2 года 2 years	20 лет 20 years
Sr	537.67 ± 345	225.75 ± 143	175	3.1	1.3
Ba	631 ± 456	226 ± 113	460	1.4	0.5
Cu	350 ± 216	60.3 ± 58.5	14	25.0	4.3
Zn	1133 ± 796	117.8 ± 165	62	18.3	1.9
Pb	332 ± 223	76.5 ± 94	25	13.3	3.1
As	20.7 ± 14.8	8.4 ± 5.8	5.2	4.0	1.6
Ni	23.1 ± 3.8	9.4 ± 3.7	12	1.9	0.8
Co	66.3 ± 18.1	0.3 ± 0.10	8	8.3	0.03
Ag	0.32 ± 0.11	0.13 ± 0.04	0.06	5.3	2.2
Cd	0.67 ± 0.21	0.1 ± 0.03	0.5	1.3	0.2
Sb	1.24 ± 0.45	0.2 ± 0.07	0.6	2.1	0.3
Cr	93.7 ± 28.8	60.4 ± 32.2	42	2.2	1.4
W	11.7 ± 3.5	3 ± 0.9	1.1	10.6	2.7
Sn	24.3 ± 13.05	6 ± 2.1	2.5	9.7	2.4
Y	28.9 ± 15.6	16.5 ± 4.5	12	2.4	1.4
La	66.7±31.1	15.3±11.2	10	6.7	1.5
Объем выборки, n	25	25	–	–	–

Примечание: ^*по Kabata-Pendias, Mukherjee (2007). Прочерк — нет данных.

Note: ^*based on Kabata-Pendias and Mukherjee (2007). Dash — no data.

ют, что химические элементы со временем вымываются из свалочного грунта при хранении на открытом воздухе.

Для подтверждения этого факта были исследованы свойства и состав водных вытяжек из разновозрастных СГ, которые характеризуют их водорастворимую составляющую. Физико-химические характеристики и средние содержания химических элементов водных вытяжек представлены в таблице 4.

Исследование показало, что свалочный грунт «молодых» отложений характеризуется щелочной реакцией среды (7.9), слежавшихся отложений — нейтральной (6.8). Удельная электропроводность водных вытяжек значительно выше у молодых грунтов (5192 µS/cm) по сравнению со слежавшимися отложениями (480 µS/cm), что коррелирует с параметрами общей минерализации водных вытяжек. Для молодых грунтов общая минерализация высока и составляет 1666 мг/л, для слежавшихся отложений — 164 мг/л. У молодых грунтов минерализация выше в 10 раз, а удельная электропроводность — в 11 раз.

В составе водных вытяжек зафиксированы высокие содержания как макро-, так и микроэлементов. При этом содержания всех элементов в водной вытяжке выше для молодых грунтов по сравнению со слежавшимися. Этот факт подтверждает способность элементов вымываться из свалочного тела при длительном складировании на открытом воздухе. Расчет отношения содержаний элементов в водной вытяжке разновозрастных свалочных грунтов (СГ2/СГ20) как 54

показателя относительной подвижности элементов позволил выявить следующее. Макроэлементы по мере снижения относительной подвижности образуют ряд: Mn 15.4 – Cl 10.3 – Ti 7.0 – SO4 5.6 – Al 2.8 – Ca 2.4 – Mg 2.3 – K 2.0 – Si 1.9 – Na 1.7 – Fe 1.4; микроэлементы – Sb 9.5 – Cd 6.5 – Pb 4.9 – Sr 3.4 – Y 3.0 – Ag 2.6 – Co 2.6 – As 2.4 – Ni 2.3 – La 2.3 – W 2.0 – Sn 1.8 – Zn 1.7 – Cu 1.3 – Cr 1.3 – Ba 1.1. Таким образом, наиболее мигра-ционно способны Mn, Cl, S, Ti и халькофильные элементы.

В опубликованных работах (Zhao et al., 2024; Nyika et al., 2019) отмечалось, что в процессе преобразования свалочного грунта химические элементы переходят в подвижное состояние и мигрируют на окружающие территории, создавая гидрохимические аномалии. Установлено, что фильтрат, который образуется на полигонах ТБО, вызывает комплексное загрязнение водоотводных каналов и грунтовых вод. Хлориды, кадмий, хром, марганец, медь и никель проявляют высокую миграционную способность. Мышьяк мобилизуется под влиянием органических веществ и карбонатов. Аммоний задерживается сорбцией, а тяжелые металлы, такие как Pb и Zn, аккумулируются в верхних слоях полигона ТБО. Некоторые элементы (Ag, Mo, Zn) имеют высокую биодоступность через растения, что подтверждается высокими коэффициентами биологического накопления.

При этом если содержание элемента в пробе свалочного грунта высоко, а его содержание в водной вытяжке имеет относительно низкое значение, то мож-

Таблица 4. Физико-химические свойства, средние содержания и стандартные отклонения химических элементов водных вытяжек разновозрастных свалочных грунтов и воды водоотводных каналов

Table 4. Physical and chemical properties, average contents and standard deviations of chemical elements in aqueous extracts of different-aged landfill soils and water from drainage channels

Параметр Parameter	Водная вытяжка свалочных грунтов Aqueous extract of landfill soils		Вода водоотводных каналов Drainage channel water		ПДК* MPC*	Кларки накопления Accumulation Clarkes
	2 года 2 years	20 лет 20 years	2 года 2 years	20 лет 20 years		2 года 2 years	20 лет 20 years
Объем выборки, n Sample volume, n	25	25	14	40	–	–	–
Водородный показатель (pH) Hydrogen index (pH)	7.9 ± 0.6	6.8 ± 0.5	7.27 ± 0.40	6.49 ± 0.19	6.5–8.5	–	–
Минерализация, мг/л Mineralization, mg/L	1666 ± 720	164 ± 25	4637 ± 444	824 ± 54	<1000	–	–
Удельная электропроводность, мкСм/см Specific electrical conductivity, µS/cm	5192 ± 2130	480 ± 170	3259 ± 3180	530 ± 39	–	–	–
Сl–, мг/л	503 ± 210	49 ± 17	1742 ± 233	1348 ± 180	350	4.98	3.85
SO 4 2–, мг/л	271 ± 121	48 ± 18	246 ± 31	193 ± 24	20	12.3	9.65
Si, мг/л	97 ± 32	52 ± 16	449 ± 69	365 ± 56	–	–	–
Al, мг/л	2.35 ± 0.9	0.83 ± 0.32	98.1 ± 15.4	76.4 ± 12.0	0,2	490	382
Ti, мг/л	1.55 ± 0.82	0.22 ± 0.11	126 ± 20	92.3 ± 15.0	0,1	1260	923
Fe, мг/л	13.4 ± 5.12	9.86 ± 3.42	367 ± 62	293 ± 50	0,3	1223	977
Mn, мг/л	14.6 ± 6.2	0.95 ± 0.42	71.0 ± 15.8	46.7 ± 10.4	0,1	710	467
Mg, мг/л	12.7 ± 4.6	5.5 ± 1.9	49.3 ± 7.1	39.2 ± 5.7	50	0.99	0.78
Ca, мг/л	92.7 ± 49	38 ± 18	151 ± 22	120 ± 17	–	–	–
Na+K мг/л	535 ± 197	300 ± 109	1542.3 ± 178	77.3 ± 8.6	–	–	–
Sr, мг/л	720 ± 380	210 ± 82	111.9 ± 15.4	86.0 ± 11.8	7	16	12.3
Ba, мг/л	112 ± 46	101 ± 38	40.6 ± 7.4	33.4 ± 6.1	0.7	58	48
Cu, мг/л	12.4 ± 6.3	9.5 ± 4.1	10.61 ± 2.34	8.4 ± 1.9	1	10.6	8.4
Zn, мг/л	35.5 ± 18.4	20.7 ± 8.8	23.6 ± 4.6	18.2 ± 3.6	5	4.7	3.6
Pb, мг/л	0.54 ± 0.24	0.11 ± 0.05	27.4 ± 8.3	14.7 ± 5.5	0.01	2740	1470
As, мг/л	13.2 ± 6.1	5.4 ± 2.4	1.04 ± 0.25	0.72 ± 0.17	0.01	104	72
Ni, мг/л	7.8 ± 3.5	3.35 ± 1.41	21.4 ± 4.3	15.6 ± 3.1	0.02	1070	780
Сo, мг/л	4.25 ± 2.1	1.61 ± 0.7	22.3 ± 4.5	16.2 ± 3.3	0.1	223	162
Ag, мг/л	1.95 ± 1.01	0.76 ± 0.32	7.59 ± 1.68	5.01 ± 1.1	0.05	151.8	100.2
Cd, мг/л	0.13 ± 0.08	0.02 ± 0.01	0.40 ± 0.09	0.26 ± 0.06	0.001	401	265
Sb, мг/л	0.19 ± 0.09	0.02 ± 0.01	5.4 ± 1.2	3.5 ± 0.8	0.01	1070	706
Cr, мг/л	9.4 ± 3.6	7.1 ± 2.3	45.6 ± 16.5	31.3 ± 11.3	0.05	912	626
W, мг/л	0.18 ± 0.11	0.09 ± 0.04	2.86 ± 0.69	1.97 ± 0.47	0.05	57.3	39.4
Sn, мг/л	0.09 ± 0.04	0.05 ± 0.02	39.5 ± 9.4	27.2 ± 6.5	2	19.8	13.6
Y, мг/л	2.1 ± 0.9	0.7 ± 0.3	≤ 0.001	≤ 0.001	–	–	–
La, мг/л	3.55 ± 1.55	1.56 ± 0.61	≤ 0.001	≤ 0.001	–	–	–

Примечание: ^* по СанПиН (2021), мг/л. Прочерк — нет данных.

Note: ^*according to SanPiN (2021), mg/L. Dash — no data.

но предположить образование вторичных минералов в теле свалки (Wei et al., 2011; Wang et al., 2024; Christensen et al., 2001; Piantone et al., 2004; Chuai et al., 2022; Чередова и др. 2023).

Результаты анализа проб воды из водоотводных каналов приведены в таблице 3. Значения практически всех химических элементов превышают ПДК (СанПиН…, 2021) от нескольких единиц до 2740. Наибольшие превышения характерны для Ti, Fe, Pb, Ni, Sb, Cr. При этом наиболее загрязнена вода водоотводных каналов вблизи молодых отложений свалочного грунта. Расчет величины ИЗВ (Ti, Fe, Pb, Ni, Sb, Cr) для образцов воды, опробованных в каналах около 2-летнего свалочного тела, составляет 1379 единиц, а около 20-летнего — 913. Таким образом, вода водоотводных каналов в обеих случаях значительно превышает уровень чрезвычайно грязных вод — соответственно в 276 и 183 раз.

Полученные данные согласуются с предыдущими исследованиями, которые выделяли два основных этапа в формировании фильтрационных вод в свалочных телах полигонов ТБО: ацидофикацию (молодой фильтрат) и метаногенез (старый фильтрат). Содержания поллютантов в молодом фильтрате (2 года) высоки по сравнению со старым фильтратом (10 лет) и составляют: Fe — 1120 и 40, Mn — 53 и 0.24, Cu — 0.65 и 0.20, Ni — 1.04 и 0.40, Pb — 5.2 и 1, Zn — 54 и 1.6 мг/дм3 соответственно (Подлипский, 2010).

Низкая плотность характерна для молодых СГ, поэтому именно они могут обладать более высокой потенциальной фильтрационной способностью. При этом их фильтрационные свойства быстро меняются из-за быстрого уплотнения (за первые 5 лет примерно на 25 %). В составе ТБО присутствует большое количество легко биодеградирующих органических веществ, которые вследствие процесса биохимического разложения теряют свою структуру и уменьшают коэффициент фильтрации свалочных грунтов (Артемов и др., 2003; Подлипский, 2010).

В жидкой среде создаются благоприятные условия для образования комплексных соединений с металлами, перехода их в растворимые формы и миграции с водными потоками на окружающие территории. Основными компонентами жидкой фазы свалочного грунта являются органические вещества, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы и металлоиды (Fe, Mg, Mn, Zn, Cr, Co, Pb, As, Cu, Ni, Hg и др.) и различные их производные (минеральные новообразования и подвижные формы) (Артемов и др., 2003; Villar et all, 2016).

В Ленинградской области существуют действующие и закрытые объекты размещения ТБО разного возраста, в пределах которых формируется СГ. Полигоны занимают обширные территории и постоянно пополняются. Тело свалки представляет собой современное техногенное образование, сложенное неоднородным СГ. Проходя различные стадии диагенеза в виде процессов разложения органической составляющей, растворения веществ и минерализации органического вещества, полигон оказывает негативное влияние на окружающие территории. Оценка состояния свалочного грунта и мониторинг окружающей среды может выполняться на основе оценки индекса суммарного загрязнения свалочного грунта и индекса загрязнения воды, который отражает поступление подвижных форм поллютантов в воды водоотводных каналов.

Заключение

Проведенное исследование показало, что СГ разного возраста представляют собой разные стадии преобразования техногенного органоминерального субстрата. Молодые отложения сохраняют более рыхлую структуру, повышенную влажность, большее содержание органической и водорастворимой составляющих, а также более высокий уровень накопления химических элементов. Слежавшиеся грунты, напротив, характеризуются большей плотностью, более выраженными признаками химического выветривания и снижением суммарного уровня техногенного загрязнения.

Установленные различия между 2- и 20-летними СГ отражают направленную трансформацию свалочного тела при хранении на открытом воздухе. Она связана с уплотнением, разложением органической составляющей, выносом растворимых компонентов атмосферными водами и перераспределением элементов между твердой фазой, водорастворимой фракцией и вторичными минеральными образованиями. В связи с этим снижение содержаний ряда макро- и микроэлементов в слежавшихся грунтах следует рассматривать не как полную стабилизацию материала, а как результат длительного вымывания и изменения форм нахождения элементов.

Водорастворимая фракция выступает важным показателем потенциальной миграционной активности СГ. Молодые отложения формируют более минерализованные вытяжки, в составе которых может происходить более активная миграция в водную фазу макрокомпонентов и микроэлементов. Это подтверждает, что ранняя стадия преобразования свалочного грунта связана с наиболее интенсивным поступлением растворимых соединений в водную среду.

Воды водоотводных каналов отражают уже реализованный вынос подвижных компонентов из свалочного тела. Наиболее загрязненные воды определяются в каналах, расположенных вблизи молодых отложений, что согласуется с более высокой долей водорастворимой фракции и повышенной минерализацией их вытяжек. Следовательно, молодые СГ являются более активным источником водной миграции химических элементов, тогда как слежавшиеся грунты сохраняют остаточную способность к выносу отдельных компонентов.

Таким образом, зона складирования продуктов переработки ТБО должна рассматриваться как динамичная природно-техногенная система. В ней одновременно протекают процессы накопления, вымывания, вторичной фиксации и повторной мобилизации химических элементов. Для оценки таких объектов недостаточно учитывать только валовый состав СГ; необходимо совместно анализировать возраст грунта, состав и свойства их водорастворимой фракции, состав воды водоотводных каналов с учетом расчетных интегральных показателей загрязнения.

Исследования были выполнены в ресурсных центрах СПбГУ («Микроскопия и микроанализ», «Рентгенодифракционные методы исследования», «Методы анализа состава вещества», «Геомодель», «Нанотехнологии») и химической лаборатории института им. А. П. Карпинского.