Техногрунт на основе свалочного фильтрата для послойной изоляции полигонов твердых коммунальных отходов

По мере развития цивилизации происходит постоянный рост объемов образования твердых коммунальных отходов (ТКО). Ежедневно в мире растет количество предметов и товаров, используемых в целях удовлетворения личных и бытовых нужд, которые, потеряв свои потребительские свойства, поступают на свалку. Отсутствие надлежащего обращения с такими отхода- ми становится причиной загрязнения атмосферного воздуха, почвенного покрова и водных ресурсов.

Несмотря на развитие технологий переработки ТКО, в большинстве стран мира основным способом обращения с коммунальными отходами остается их размещение на полигонах. Согласно данным государственного доклада за 2024 год, объем образования ТКО в России превысил 47.7 млн тонн, подавляющая часть

которых (83 %) была размещена на свалках1. Негативным аспектом складирования отходов является нерациональное использование земель: под свалки в России отведено более 4 млн га.

Помимо использования территорий под хранение отходов, полигоны ТКО становятся источником масштабного загрязнения окружающей среды (Кирильчук и др., 2021). Происходит выделение в атмосферу отравляющего биогаза и образование токсичных сточных вод, загрязняющих почвы и водоемы (Петров, Данилов, 2023; Mor, Ravindra, 2023). В целях предотвращения распространения загрязняющих веществ за пределы полигона ТКО существует необходимость проведения промежуточной изоляции складируемых отходов в течение всего срока эксплуатации полигона.

Согласно инструкции по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов ТКО, изоляция осуществляется инертными материалами после достижения уплотненным слоем отходов мощности 2 м (Инструкция…, 1996). Изоляцию необходимо проводить не реже одного раза в течение 1—3 дней в зависимости от времени года слоем 0.15—0.25 м.

К традиционным материалам, используемым для послойной изоляции складируемых отходов, относятся природные грунты. При добыче природного грунта происходит загрязнение почвенного покрова, а также в ряде случаев наблюдается изменение гидрологического режима водных объектов. Помимо этого, процесс извлечения природных грунтов требует существенных финансовых вложений. Как следствие, создается необходимость поиска альтернативного материала для послойной изоляции, который будет соответствовать требованиям и целям полигона ТКО.

Согласно действующей нормативной базе (Инструкция…, 1996; СП 320.1325800.20, 2018; ИТС 172024, 2024) и на основании научных трудов (Забелина и др., 2022; Titova et al., 2022; Патент № 2600681 РФ, 2016) для изоляции полигона ТКО могут быть использованы отходы строительной, деревообрабатывающей, стекольной, металлургической и прочих отраслей промышленности. Однако рассматриваемые отходы яв- ляются неоднородными по составу и содержат недопустимые элементы, например металлические примеси, лимитирующие их использование.

Ранее была разработана рецептура техногрунтов на основе свалочного фильтрата, стабилизированного шлаками металлургического производства (Пашкевич, Куликова, 2024; Патент № 2807336 РФ, 2023). Техногрунт на основе свалочного фильтрата и шлака доменного производства потенциально может быть использован в нуждах полигона ТКО, что одновременно решит и проблему утилизации двух типов токсичных отходов.

Целью научной работы является исследование возможности использования техногрунта на основе свалочного фильтрата, стабилизированного доменным шлаком, в качестве послойно изолирующего материала при эксплуатации полигонов ТКО. Применимость материала будет установлена посредством определения его физико-механических и химических свойств и сопоставления полученных результатов с нормативными значениями.

Материалы и методы

Объектом исследования является техногрунт на основе свалочного фильтрата, полученный по технологии литификации — отвердевания материала с помощью вяжущего компонента, представленного шлаком доменного производства (Пашкевич, Куликова, 2024). В результате происходит переход фильтрата из жидкого состояния в твердое с получением готового материала — техногрунта. Ранее рядом экспериментов авторами была установлена оптимальная по времени отвердевания рецептура техногрунта в массовом соотношении компонентов 1:1:0.027 — фильтрат плотностью 1.5 т/м3, доменный шлак крупностью 1—2 мм и сульфат алюминия в качестве коагулянта для осаждения растворенных в фильтрате органических примесей. По истечении 7—14 дней с начала эксперимента техногрунт полностью твердеет и готов к использованию (рис. 1).

При использовании отходов производства в качестве послойно изолирующего материала необходимо

1 ЭТАП ПОДГОТОВКА ФИЛЬТРАТА

2 ЭТАП

ОБРАБОТКА ВЯЖУЩИМ МАТЕРИАЛОМ

Смешибание с Доменным шлаком

ОсажДение растборимых 6 фильтрате органических бещестб

Рис. 1. Схема получения техногрунта на основе свалочного фильтрата

Fig. 1. Scheme for obtaining techno-soil based on landfill leachate

Доменный шлак

1 часть

Техногрунт

7-14 Дней

3 ЭТАП ЛИТИФИКАЦИЯ

Литификация полученной смеси соблюдение следующих требований (Инструкция…, 1996; СП 320.1325800.2017, 2018):

• —    крупность частиц не более 0.25 м;

• —    высокая степень уплотняемости;

• —    газопроницаемость в сочетании с сорбционными свойствами для нейтрализации запахов разложения;

• —    водопроницаемость при сохранении структурной целостности под воздействием атмосферных осадков (нерастворимость);

• —    класс опасности отходов не выше IV;

• —    содержание токсичных веществ в водной вытяжке из отхода (при компонентном соотношении 1:1) ниже или наравне с теми же показателями в свалочном фильтрате;

• —    интегральный показатель потребляемости кислорода (БПК₂₀ и ХПК) в водной вытяжке не более 300 мгО₂/л.

Крупность частиц техногрунта определялась методом лазерной дифракции на анализаторе размеров частиц HORIBA модификации LA-950 (HORIBA, Франция), оснащенном системой сухого диспергирования.

Степень уплотняемости техногрунта определяется через коэффициент уплотнения, который рассчитывается как отношение насыпной плотности к максимальной (Чунюк и др., 2023). Насыпная плотность регламентируется ГОСТ 32721-2014 и отражает массу некоторого объема материала в естественном неуплотненном состоянии. Максимальная плотность представляет собой наибольшую возможную плотность сухого материала при его механическом уплотнении. Для определения максимальной плотности в соответствии с ГОСТ 22733-2016 необходимо найти значение оптимальной влажности техногрунта, при которой будет достигаться наибольшая плотность. Расчет производится в пересчете на сухой материал с учетом оптимальной влажности как отношение массы влажного техногрунта к занимаемому им объему (1):

_ рвл

Рсух = 1 + 0.01шопт,

где ρ _сух — максимальная плотность техногрунта, г/см³; ρ _вл — плотность влажного техногрунта, г/см³; ω _опт — оптимальная влажность техногрунта, %.

Газопроницаемость техногрунта зависит от его пу-стотности, то есть объема межчастичного пространства, поскольку именно через эти пустоты газ будет проходить сквозь материал (Kiuru et al., 2022). Таким образом, чем больше пустот, тем выше газопроницаемость. Значение пустотности исходя из ГОСТ 327212014 определяется по формуле (2):

H. = (^ ^ • 100, ^р ист

где V_мат — пустотность техногрунта, %; ρ _ист и ρ _нас — истинная и насыпная плотность техногрунта соответственно (г/см³).

Истинная плотность техногрунта, в отличие от насыпной, определяется при условии абсолютно плотного состояния, исключая наличие пустот, и в соответствии с ГОСТ 32722-2014 рассчитывается по следующей формуле (3):

Р ист

(m - mi) • pB m — m1 + m2 — m3

где m — масса пикнометра с техногрунтом, г; m₁ — масса пустого пикнометра, г; m₂ — масса пикнометра с дистиллированной водой, г; m₃ — масса пикнометра с техногрунтом и дистиллированной водой, г; ρ _в — плотность воды, г/см³.

Растворимость техногрунта определялась гравиметрическим методом по потере массы. Для этого из техногрунта готовилась водная вытяжка в массовом соотношении твердого к жидкому 1:5, а далее полученная смесь перемешивалась в течение часа и фильтровалась. Оставшийся на фильтре нерастворивший-ся осадок был высушен и взвешен без учета массы фильтра. По отношению массы растворившегося осадка к первоначальной массе навески техногрунта можно определить его растворимость.

Для характеристики проницаемости техногрунта по отношению к фильтрующейся воде согласно ГОСТ 25584-2023 используют такой показатель, как коэффициент фильтрации, показывающий скорость прохождения воды через полностью насыщенный материал при единичном градиенте напора. Определение проводится с использованием трубки Г. Н. Каменского (рис. 2).

Рис. 2. Определение коэффициента фильтрации техногрунта в трубке Г. Н. Каменского

Fig. 2. Determination of the filtration coefficient of technosoil in the G. N. Kamensky tube

После полного насыщения техногрунта на нем формируют слой воды и засекают время ее прохождения определенного пути (рисок). Согласно стандартизированной документации коэффициент фильтрации рассчитывается по следующей формуле (4):

I S b-w-f® (4)

где K_ф — коэффициент фильтрации, см/с; l — высота столба техногрунта, см; t — время прохождения водой столба техногрунта l , с. Величина f(S/h) является табличным значением, где S — высота столба воды, прошедшая через техногрунт за время t , см; h — первоначальная высота столба воды (напор), см.

При проведении расчетов необходимо учитывать реальные среднегодовые температурные условия фильтрационных вод, поэтому коэффициент фильтрации Кф10 пересчитывается с учетом температурной поправки ТП для предполагаемой (10 °С) и реальной температур по следующей формуле (5):

ТП = 1 + 0.0337 · Т + 0.000221 · Т^. (5)

Расчет итогового коэффициента фильтрации техногрунта производится с учетом температурных поправок по формуле (6):

^К ф10 =

Кф-Жо ТП реал

Для установления безопасности применения тех-

ногрунта на основе отходов (доменного шлака и свалочного фильтрата полигонов ТКО) проводилось определение его класса опасности методом биотестирования на культуре водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris) по ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04. Для этого рассчитывалась кратность разбавления вытяжки из техногрунта (ТКР), при которой происходит изменение оптической плотности относительно дистиллированной воды — снижение более чем на 20 % или повышение свыше 30 %.

Результаты и обсуждение

Рассмотрим возможность использования полученного на основе свалочного фильтрата техногрунта, стабилизированного шлаком доменного производства, в качестве изоляционного материала при эксплуатации полигона ТКО.

Физико-механические характеристики техногрунта

Крупность . Для эффективной изоляции полигона ТКО необходимо, чтобы размер частиц используемого материала не превышал 0.25 м. Техногрунт на основе свалочного фильтрата является хрупким материалом и легко самоизмельчается после отвердевания при контакте с ним. Анализ размеров частиц техногрунта показал, что наибольшая крупность включений материала составила 1.3 мм, что сопоставимо с частицами природного грунта, размер которых варьируется в пределах 0.01—2.0 мм в соответствии с ГОСТ 125362014 (рис. 3).

При подавлении прироста более чем на 20 % ТКР рассчитывается по следующей формуле (7):

ТКР = 10

(1дР & ^- igPj • Л - 0,2)

1 м ^- ^ 6

+ 1дР м ,

где Р_б — кратность разбавления (наибольшая), при которой процент отклонения был ниже критерия токсичности (20 %); Р_м — кратность разбавления (меньшая), при которой процент отклонения был выше критерия токсичности; I_б и I_м — отклонения от контроля, соответствующие этим разбавлениям, выраженные в долях.

Помимо определения кратности разбавления вытяжки из техногрунта был выполнен расчет степени опасности отхода для окружающей среды (K) в соответствии с приказом Минприроды России № 536 (Об утверждении…, 2015).

Определение химического состава техногрунта проводилось методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием cканирующего рентгенофлуоресцентного спектрометра XRF-1800 (Shimadzu, Япония). Фазовый состав техногрунта был получен методом рентгеновской порошковой дифрактометрии с использованием дифрактометра «Колибри» (ИЦ «Буревестник», Россия) и параметрами съемки: анод — Cu; 40kV_10mA. Идентификация данных порошковой дифрактометрии проводилась с использованием базы данных COD.

Содержание токсичных веществ в водной вытяжке из техногрунта при соотношении 1:1 определялось методом атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием спектрометра АА-7000 (Shimadzu, Япония). Для установления содержания в водной вытяжке из техногрунта органических веществ были определены показатели химического и биологического потребления кислорода (ХПК и БПК20). ХПК определялось спектрофотометрическим методом с использованием спектрофотометра DR 5000 (HACH-LANGE, Германия) (ФР.1.31.2013.16588, 2013), БПК20 — манометрическим методом с помощью системы БПК OxiTop (WTW, Германия) (ФР.1.31.2015.20690, 2015).

Рис. 3. Распределение размеров частиц техногрунта

Fig. 3. Distribution of particle sizes of techno-soil

Уплотняемость. Далее проводилось определение насыпной и максимальной плотности. Насыпная плотность техногрунта составила (1.58±0.10) т/м³, что сопоставимо с природными грунтами, среднее значение насыпной плотности которых варьируется в диапазоне 1.0—2.0 т/м³ (от легких до плотных скальных пород). Максимальная плотность техногрунта составила (2.16±0.10) т/м³. Таким образом, коэффициент уплот-няемости материала составит 0.73, что является низким показателем. Однако полученного коэффициента уплотняемости техногрунта достаточно для решения поставленных задач на полигоне: недопущение проникновения животных, птиц и грызунов в изолируемые отходы. Помимо прочего, техногрунт будет находиться во влажных условиях при выпадении атмос-

ферных осадков и разложении отходов, что увеличит его уплотняемость.

Газопроницаемость. По результатам испытаний было установлено, что истинная плотность техногрунта составляет (1.90±0.10) г/см³ при насыпной (1.58±0.10) т/м³. Таким образом, пустотность материала составляет 17 % от общего объема материала, что подтверждает его способность к пропусканию сквозь толщу техногрунта свалочных газов (Feng et al., 2023). Однако помимо пустотности на газопроницаемость будут влиять условия эксплуатации грунта, которые необходимо подбирать с учетом свойств рассматриваемого материала.

Водопроницаемость. Для природных грунтов, используемых для изоляции полигона ТКО, коэффициент фильтрации в среднем составляет: для суглинков — менее 0.1 м/сут, а для супесей и пылеватых песков — 0.1—1.0 м/сут (ГОСТ 25100-2020). Для предлагаемого техногрунта был установлен коэффициент фильтрации в диапазоне 0.65—0.75 м/сут, что сопоставимо со значениями для используемых природных грунтов.

Растворимость. При испытании материала на растворимость было установлено, что при его взаимодействии с водой любого генезиса (атмосферные осадки, собственная влажность ТКО, очищенные фильтрационные, дренажные и технологические воды, используемые для гидроорошения полигонов ТКО) вымывается порядка 3 % от массы исходного образца. Потеря массы материала происходит за счет растворимых соединений, преимущественно кальция, натрия, калия и магния (Пашкевич, Куликова, 2024). В дальнейшем вымывание будет наблюдаться незначительное, так как общее содержание подвижных форм элементов, которые переходят в раствор в слабокислой среде, чуть выше 3 %.

Химический и фазовый состав техногрунта

Химический состав. Химический состав представлен в таблице 1, из которой видно, что основными компонентами техногрунта являются кальций, кремний, алюминий и магний.

Фазовый состав. Результаты анализа методом рентгеновской порошковой дифрактометрии показали, что основной идентифицируемой фазой в техногрунте является минерал мелилитовой группы (обобщенная формула — (Ca,Na)₂(Al,Mg,Fe²⁺)[(Al,Si)SiO₇]) — акерманит (Ca₂MgSi₂O₇), который слагает основную часть доменных шлаков, также идентифицируются натрийсодержащий мелилит (CaNaAl(Si₂O₇)), примеси арагонита (CaCO₃) и оксида алюминия (рис. 4). Фазовый состав согласуется с данными элементного состава, полученными методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии.

Химическая и биологическая токсичность техногрунта

Класс опасности отхода. По результатам токсикологических исследований методом биотестирования на культуре водоросли хлорелла ( Chlorella vulgaris ) установлена токсичная кратность разбавления водной вытяжки из полученного техногрунта (48.5), при которой происходит подавление роста величины оптической плотности тест-культуры водоросли хлорелла ( Chlorella vulgaris ), выращенной в водной вытяжке из техногрунта, на 20 % по сравнению с ее ростом на контрольной среде, приготовленной на дистиллированной воде. Согласно приказу Минприроды России № 536, при кратности разведения водной вытяжки от 1 до 100 отход можно отнести к IV классу опасности.

Помимо кратности разведения водной вытяжки из техногрунта расчетным методом была определена степень его опасности для окружающей среды (К), ко-

Таблица 1. Химический состав техногрунта на основе свалочного фильтрата Table 1. Chemical composition of techno-soil based on landfill leachate Содержание основных компонентов (в пересчете на абс. сухое состояние), % Content of main components (calculated on an absolute dry basis), %

CaO 41.0

SiO 2 38.15

Al2O3 8.6

MgO 7.4

SO 3 1.0

Na2O 0.7

K 2 O 0.55

TiO 2 0.38

Fe 2 O 3 0.28

MnO 0.14

ППП 1.8

Рис. 4. Дифрактограмма техногрунта

Fig. 4. X-ray diffraction pattern of of techno-soil

торая составила менее 10, что соответствует V классу опасности согласно приказу Минприроды России № 536.

Таким образом, для полученного материала по двум показателям установлен IV класс опасности отхода, так как при несовпадении определенного методом биотестирования и рассчитанного классов опасности присваивается установленный исходя из кратности разведения водной вытяжки из отхода.

Содержание токсичных веществ. Применение полученного техногрунта для послойной изоляции полигонов ТКО допускается при условии содержания токсичных веществ в его водной вытяжке на уровне или ниже, чем в свалочном фильтрате. В таблице 2 приведен сравнительный анализ параметров водной вытяжки из техногрунта и свалочного фильтрата, из которого был приготовлен образец техногрунта.

Таблица 2. Содержание токсичных веществ (мг/дм³) в водной вытяжке из техногрунта и свалочном фильтрате

Table 2. Content of toxic substances (mg/dm³) in aqueous extract from industrial soil and landfill leachate

Компонент Component	Водная вытяжка из техногрунта (1:1) Water extract from techno-soil (1:1)	Фильтрат с полигона ТКО Landfill leachate
Cu	0.30	0.35
Cd	<	0.27
Hg	<	<
Pb	<	<
As	<	<
Zn	0.10	6.50
Ni	0.40	0.48

Из полученных данных следует, что концентрации токсичных веществ, в частности тяжелых металлов, в техногрунте на уровне и ниже, чем в свалочном фильтрате, что позволяет использовать его в качестве пересыпного изолирующего материала на полигоне ТКО.

Помимо этого, использование техногрунта ограничено суммарным показателем окисляемости в его водной вытяжке (не более 300 мгО2/л). По результатам анализа интегральная потребляемость кислорода в водной вытяжке из техногрунта ниже в 25 раз по сравнению с тем же показателем в свалочном фильтрате и составляет 260 мгО2/л, где ХПК — 173 мгО2/л, а БПК20 — 87 мгО2/л.

Заключение

Проведённые исследования свидетельствуют о соответствии физико-механических и химических свойств полученного на основе свалочного фильтрата техногрунта ключевым требованиям, предъявляемым к материалу для послойной изоляции полигонов ТКО. Результаты лабораторных исследований показали, что техногрунт преимущественно состоит из соединений кремния, кальция, алюминия и магния; основными фазами в техногрунте являются акерманит, мелилит, арагонит и оксид алюминия; крупность частиц мате- 30

риала не превышает 1.3 мм; уплотняемость техногрунта ниже, чем у природного грунта, однако для целей полигона является оптимальной (коэффициент уплот-няемости 0.73); техногрунт является газопроницаемым благодаря своей пористой структуре (пустотность 17 %), однако конечное значение будет зависеть от степени укатки грунта и климатических условий; при прохождении осадков сквозь толщу отходов, а также при выделении ими собственной влаги в процессе разложения из техногрунта будет вымываться менее 3 % компонентов по массе, что свидетельствует о его стабильности; техногрунт является водопроницаемым, что обеспечит увлажнение нижних слоев отходов для ускорения процессов их разложения и в целях пожаробезопасности (коэффициент фильтрации 0.65— 0.75 м/сут); техногрунт является малоопасным и имеет IV класс опасности отхода; содержание токсичных веществ в водной вытяжке из техногрунта ниже, чем в фильтрате, а интегральный показатель окисляемо-сти составил 260 мгО2/л.

Таким образом, результаты исследования подтверждают возможность использования полученного на основе свалочного фильтрата техногрунта, стабилизированного доменным шлаком, на полигонах ТКО для послойной изоляции складируемых коммунальных отходов. При этом полученные характеристики техногрунта сопоставимы с показателями применяемого на сегодняшний день на полигонах ТКО природного грунта. Данная технология позволит сократить затраты на добычу грунта, не нарушать гидрологический режим при его добыче, а также снизить экологическую нагрузку от многотоннажного образования доменного шлака и фильтрата полигонов ТКО путем их совместной утилизации.

Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (FSRW-2024-0005).