автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Исследования пылевого воздействия на атмосферу полигонов ТБО и отходов строительства

005555370

На правах рукописи

Поляков Илья Владимирович

Исследования пылевого воздействия на атмосферу полигонов ТБО и отходов строительства

05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 П НОЯ 2014

Волгоград-2014

005555370

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических профессор

Официальные оппоненты: доктор технических профессор

наук, Мснзелинцева Надежда Васильевна

наук, Желтобрюхов Владимир Федорович,

заведующий кафедрой

«Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» в федеральном государственном

бюджетном образовательном

учреждении высшего

профессионального образования

«Волгоградский государственный технический университет» кандидат технических наук, доцент Сидякин Павел Алексеевич,

профессор кафедры «Строительство» Института сервиса, туризма и дизайна (филиал) федерального

государственного автономного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Северо-Кавказский федеральный университет» в г. Пятигорске Научно-исследовательский институт охраны атмосферного воздуха ОАО «НИИ Атмосфера» г. Санкт-Петербург

Ведущая организация

Защита состоится «17» декабря 2014 г. в 13:00

на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, корп. Б, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» www.vgasu.ru

Автореферат разослан » ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юрьев Юрий Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время все большую значимость приобретает проблема утилизации отходов, образующихся при новом строительстве, демонтаже, реконструкции, капитальном и текущем ремонте зданий и сооружений. Ежегодный объем отходов этого вида в России, по данным статистики, составляет 15-17 млн. тонн.

Если в зарубежной практике обращения со строительными отходам! принят их рециклинг, то в нашей стране этот вопрос решается посредством размещения на полигонах для захоронения ТБО, которые в этом случае становятся источниками пылевого загрязнения атмосферы. Однако в настоящее время это обстоятельство не учитывается при проведении в период эксплуатации полигонов ТБО мониторинга состояния окружающей природной среды, который включает в себя контроль только газового состава атмосферы, а также контроль качества поверхностных и подземных вод.

Кроме того, определение объема пылевыделений по действующим методикам затруднено, в связи с многокомпонентным составом, а также недостаточной изученностью дисперсного состава и аэродинамических характеристик пыли, образующейся при размещении отходов строительства на полигонах ТБО.

Поэтому актуальными являются исследования, направленные на изучение особенностей процессов образования и распространения в атмосфере пылевых частиц, выделяющихся при проведении различных операций по приему и захоронению строительных отходов.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель работы - совершенствование системы мониторинга экологической безопасности в зонах функционирования полигонов для захоронения ТБО при размещении на них строительных отходов на основе результатов исследования пылевого загрязнения атмосферы.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ качественного состава строительных отходов;

- анализ особенностей проектирования, строительства и эксплуатации полигонов для твердых бытовых отходов и промышленных отходов IV-V классов опасности для окружающей природной среды;

- анализ действующих методик для расчета массы пылевых выбросов в атмосферу от неорганизованных источников;

- анализ особенностей организации мониторинга состояния окружающей природной среды при эксплуатации полигонов ТБО;

- анализ закономерностей распространения в окружающей среде пыли, выделяющейся от неорганизованных источников полигонов ТБО;

- экспериментальные исследования по выявлению закономерностей распространения в окружающей среде пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне ТБО;

- исследование дисперсного состава и аэродинамических характеристик пыли, поступающей в атмосферный воздух при осуществлении различных операций, связанных с размещением строительных отходов на полигоне (разгрузка, уплотнение отходов, формирование промежуточного изолирующего слоя и т.д.);

- выбор математического аппарата и проведение на его основе обработки экспериментальных данных дисперсионного анализа;

- определение концентраций частиц РМ10 и РМ2^ для пыли, поступающей в воздушную среду при размещении отходов строительства на полигоне;

- уточнение значений поправочных коэффициентов, используемых в соответствии с действующими методиками для расчета массы выбросов пыли в атмосферу от неорганизованных источников;

- разработка инженерно-технических мероприятий по снижению пылевыделений в процессе дробления строительных отходов, теоретическая и экспериментальная оценка их эффективности.

Основная идея работы состоит в: использовании многозвенных линейных сплайнов для аппроксимации данных дисперсионного анализа пыли строительных отходов; применении вероятностно-стохастического подхода для теоретической оценки закономерностей распространения в окружающей среде пыли, выделяющейся от неорганизованных источников полигонов ТБО.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования в натурных и лабораторных условиях, обработку экспериментальных данных методами математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, доказана применением классических положений механики аэрозолей и аэродинамики при моделировании изучаемых процессов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в промышленных условиях, с результатами других авторов.

Научная новизна работы:

на основе вероятностно-стохастического подхода получены аналитические зависимости, описывающие закономерности распространения пылевых частиц в атмосферном воздухе при размещении строительных отходов на полигоне ТБО;

- на основе результатов натурных исследований получены зависимости, характеризующие процесс распространения «облака пыли», образующегося при разгрузке мусоровозов;

- экспериментально установлены зависимости, описывающие с учетом скорости ветра закономерности распространения частиц пыли в окружающей

среде при различных процессах, связанных с размещением отходов строительства на полигоне (выгрузка отходов, их уплотнение, формирование промежуточного изолирующего слоя из измельченных строительных отходов и грунта, открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта);

- получены данные о дисперсном составе пыли, образующейся в процессах размещения строительных отходов на полигоне, и показана целесообразность применения способа интерполяции функции пофракционного распределения массы с помощью приближения многозвенными линейными сплайнами для обработки результатов дисперсионного анализа исследуемой пыли;

- по результатам экспериментальных исследований проведена оценка скорости оседания частиц пыли строительных отходов;

- получены аналитические и экспериментальные зависимости для оценки эффективности и аэродинамического сопротивления системы обеспыливания дробилки строительных отходов.

Практическое значение работы:

- уточнены значения поправочных коэффициентов, используемых в соответствии с действующими методиками для расчета массы выбросов пыли в атмосферу от неорганизованных источников;

- в существующей методике по определению величины пылевых выбросов в атмосферу предложены дополнительные коэффициенты для оценки доли мелкодисперсной пыли фракций РМШ и РМ2,5 в общей массе выбросов;

- разработаны рекомендации по расчету загрязнения воздушной среды мелкодисперсной пылью РМ10 и РМ2,5 при функционировании полигонов ТБО;

- разработана схема компоновки системы обеспыливания дробилки строительных отходов.

Реализация результатов работы:

- разработанные рекомендации по расчету пылевых выбросов в атмосферу при захоронении отходов строительного производства использованы в ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой» при разработке разделов «Оценка воздействия на окружающую среду» и «Перечень мероприятий по охране окружающей среды» в проектах полигонов твердых бытовых и промышленных отходов Волгоградской области;

- рекомендации по расчету концентрации пыли РМ!0 и РМ2,5 переданы в ООО «Ассоциация Экотехмониторинг» для использования при расчетах загрязнения атмосферного воздуха;

- на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов IV и V классов опасности ООО «ЕвроХим-ВолгаКалий» в Котельниковском районе Волгоградской области прошла опытно-промышленные испытания разработанная установка обеспыливания для обслуживания дробилки строительных отходов.

На защиту выносятся:

полученные на основе вероятностно-стохастического подхода аналитические зависимости, описывающие закономерности распространения пылевых частиц в атмосферном воздухе при размещении строительных отходов на полигоне ТБО;

- положение о том, что дисперсный состав пыли, образующейся в процессах размещения строительных отходов на полигоне, может быть описан с применением способа интерполяции функции пофракционного распределения массы частиц с помощью приближения многозвенными линейными сплайнами;

- полученные на основе результатов натурных исследований зависимости, характеризующие процесс распространения «облака пыли», образующегося при разгрузке мусоровозов;

- экспериментально установленные зависимости, описывающие с учетом скорости ветра закономерности распространения частиц пыли в окружающей среде при различных процессах, связанных с размещением отходов строительства на полигоне (выгрузка отходов, их уплотнение, формирование промежуточного изолирующего слоя из измельченных строительных отходов и грунта, открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта);

- результаты экспериментальной оценки скорости оседания частиц пыли строительных отходов;

- аналитические и экспериментальные зависимости для оценки эффективности и аэродинамического сопротивления системы обеспыливания дробилки строительных отходов.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: научной сессии «Управление и региональная экономика» (г. Волгоград, 2005 г.); научно-практических конференциях «Проблемы охраны производственной и окружающей среды» (г. Волгоград, 2010 г., 2013 г.); международной научно-практической интернет-конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011 »(Украина, 2011 г.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО ВолгГАСУ (г. Волгоград, 2010-2013 г.г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 8 работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы: 141 страница, в том числе: 120 страниц - основной текст, содержащий 17 таблиц на 20 страницах, 59 рисунков на 47 страницах; список литературы из 136 наименований на 15 страницах; 2 приложения на 6 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.

Первая глава посвящена аналитическому обзору и выбору направления исследований.

Реализация многочисленных государственных программ, как в сфере международного сотрудничества Российской Федерации (как, например, сооружение новых и реконструкция действующих спортивных объектов для проведения международных спортивных состязаний олимпийского, мирового и европейского уровня, строительство крупных трансграничных газопроводов и объектов инфраструктуры в районах их размещения и т.п.), так и направленных на обеспечение устойчивого развития различных федеральных округов (например, программа по развитию регионов Сибири и Дальнего Востока) сопряжена со значительным возрастанием темпов и объемов строительства, и, следовательно, со значительным ростом объемов строительных отходов.

При этом, как показал проведенный анализ, этот вид отходов характеризуется многообразием компонентного состава, который также будет расширяться в связи с появлением новых строительных материалов и изделий.

В зарубежной практике обращения с отходами строительства широкое распространение получил их рециклинг, т.е. использование в качестве вторичного сырья при производстве строительных материалов. Однако в России такой подход в настоящее время не нашел широкого распространения, и отходы строительства либо размещаются на несанкционированных свалках, либо направляются на полигоны для захоронения. При этом, в связи с отсутствием специализированных полигонов для строительных отходов, последние подвергаются захоронению на полигонах ТБО или используются на этих объектах для формирования промежуточных изолирующих слоев.

В соответствии с действующими санитарными правилами за соблюдением санитарно-эпидемиологических требований при организации мониторинга состояния окружающей природной среды в период эксплуатации полигонов ТБО контролю .подвергаются газовый состав атмосферного воздуха (на территории рабочих карт, по периметру полигона и на границах санитарно-защитной зоны) и качество поверхностных и подземных вод (в зоне потенциального влияния полигона).

Однако, очевидно, что, осуществление на полигоне различных операций, связанных с размещением строительных отходов, таких, как выгрузка из автотранспорта, сталкивание на поверхность рабочей карты, уплотнение и т.д., будет сопровождаться выделением пыли.

я

С другой стороны, перечисленные выше операции относятся к разряду неорганизованных источников выбросов в атмосферу, и объем выбросов для них определяется по действующим методикам для такого типа источников. Однако используемые в расчетах по этим методикам поправочные коэффициенты отнесены к конкретным строительным материалам (например, цемент, гипс молотый, известково-песчаная смесь и т.д.), тогда как строительные отходы имеют многокомпонентный состав, и пыль, образующаяся при их размещении на полигоне, также, очевидно, будет многокомпонентной.

Во второй главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния на состояние воздушной среды выбросов пыли от неорганизованных источников ТБО при размещении на них строительных отходов.

Анализ закономерностей процессов распространения пыли в воздушной среде на территории полигона ТБО был проведен на основе вероятностно-стохастического подхода, разработанного Богуславским Е.И. и развитого Азаровым В.Н.

Рассмотрим в качестве примера закономерности переноса пыли, выделяющейся при выгрузке строительных отходов из самосвала. Пусть процесс массопереноса происходит от места выгрузки отходов до любой из точек пространства. Будем считать, что высота расположения частицы над поверхностью играет более существенную роль, чем ее расположение в плоскости площадки разгрузки, поскольку технология захоронения предполагает компактное расположение отходов при выгрузке. Тогда вероятность процесса переноса составит для всей совокупности частиц пыли выгруженных отходов

«к оэ

Р2 = К, + К2 + т I I Р(^пЖМпЖД(М„)<М (1) 2 О о

где: т(К) - масса стартующих с высоты А частиц пыли с размером йп; (р(/1,йп) - дифференциальная функция плотности вероятности нахождения частицы на высоте к; Кг - весовая доля пылевой фракции в отходах; К2 -доля пыли, переходящей в аэрозоль;

О (/г, с?п) - интегральная функция распределения массы частиц по диаметрам с1„ на высоте А.

Можно предположить, что случайная величина

зависит от двух независимых параметров - /г и с1п . Тогда выражение (1) приобретает вид

ШхШЛхЩ/Ш, - г) 1)

и и 1 - иМхщ/щ-^¡(ушв^тшн

Если X -» х , 1 -* 2 — Л, последнее выражение приобретет вид

Р =

II

о о

ехр

хШ2((х]ЛГг/Юх-(2 - Л))

Н^х{{х\Уг/\Ух - - /г))

ег/СПКОС^ЗМ/г)^

(3)

Экспериментальные исследования по оценке закономерностей распространения выбросов пыли от неорганизованных источников проводились на полигоне по захоронению твердых бытовых и промышленных отходов IV и V классов опасности для окружающей среды, расположенном на территории Котельниковского района Волгоградской области. При этом изучались основные операции, связанные с размещением строительных отходов на полигоне: выгрузка отходов; уплотнение отходов бульдозером на рабочей карте; формирование промежуточных изолирующих слоев из измельченных строительных отходов и из грунта; открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта, предназначенных для изоляции ТБО.

При выгрузке строительных отходов, оценивались зона распространения «облака» пыли, плотность пылеоседания и запыленность воздушной среды.

Для оценки высоты выброса (Щ и максимального удаления от площадки разгрузки (£) пылевых частиц был реализован полный факторный эксперимент З2 . При этом в качестве определяющих факторов были приняты: {?в - относительная скорость ветра (фактическая скорость ветра, отнесенная к 1 м/с); f - время удаления пылевых частиц от площадки выгрузки строительных отходов из самосвала, отнесенное к 1 с. Полученные результаты аппроксимируются выражениями вида:

Ь = 0,009(15в + 8,36)2 + 0,006(г + 7,08)2 + 0,04^ - 4,285 (4) Н = 5,2965 + 1,05 ув + 0,042 V2 (5)

На рисунке 1 показано изменение плотности оседания пыли в зависимости от расстояния от площадки х (х - расстояние от площадки, отсчитываемое от ее границы и отнесенное к ее ширине) при скорости ветра ОД < г?в < 1. Аналогичные данные получены для других значений скорости ветра. Полученные экспериментальные зависимости аппроксимируются выражениями, имеющими вид:

- при скорости ветра ОД < рв < 1

С0 = 182А6у~°-5ехр(-0,346х) (6)

- при скорости ветра 1 < г?в < 5

С0 = 364Д8г?в°'3ехр(— 0,219х) (7)

- при скорости ветра 5 < рв < 10

С0 = 354-,3ав0,25ехр(— ОДОбх) (8)

Полученные данные свидетельствуют о том, что величина С0 с удалением от площадки выгрузки отходов уменьшается по экспоненциальному закону, и диапазон изменения плотности оседания пыли уменьшается с увеличением скорости ветра.

На рисунке 2 приведены осредненные значения концентрации пыли в атмосферном воздухе С0 , которые отмечаются в момент выгрузки строительных отходов из самосвала на различных расстояниях от площадки разгрузки при разных скоростях ветра.

Полученные данные описываются зависимостями:

- при скорости ветра ОД < ув< 1

С0 = 246,48ехр( — 0,206х) (9)

- при скорости ветра 1 < г?в < 5

С0 = 253,96ехр( — 0Д18х) (10)

- при скорости ветра 5 < ц, < 10

С0 = 250,74ехр( — 0,09х) (11)

\

Л ¡У/Л

Рисунок 1 - Изменение плотности оседания пыли на различных расстояниях от площадки выгрузки отходов при скорости ветра

ОД < рв< 1

1

л/ 1

О * в ¡2 16 го

Рисунок 2 - Осредненные значения концентрации пыли в атмосферном воздухе в момент выгрузки строительных отходов из самосвала на различных расстояниях от площадки разгрузки при скорости ветра: 1 - ОД < ув< 1; 2 - 1 < уе < 5; 3 - 5 < < 10

Полученные данные показывают, что изменение концентрации пыли в атмосферном воздухе на различных расстояниях от площадки разгрузки также происходит по экспоненциальному закону. Также экспериментально установлено, что изменение концентрации пыли в атмосферном воздухе через разные интервалы времени тР после окончания выгрузки строительных отходов из самосвала характеризуется зависимостями: при тР < 5 мин. СТр = С0т~ °'25, при тР > 5 мин. СГр = С0Тр °'33.

Результаты экспериментальной оценки запыленности атмосферного воздуха при работе бульдозера на рабочей карте полигона показали, что наибольшая концентрация пыли, особенно в зоне перед отвалом бульдозера, отмечается при формировании изолирующего слоя из грунта.

На рисунке 3 и на рисунке 4 приведены графические зависимости, характеризующие процессы распространения пыли при открытом хранении измельченных строительных отходов и грунта.

3

Рисунок 3 - Изменение плотности пылеоседания при открытом хранении измельченных строительных отходов и грунта при скорости ветра: 1 - ОД < < 1 м/с; 2-1< V,, < 5 м/с; 3 - 5 < г?в < 10 м/с

Полученные зависимости описываются следующими выражениями: - при скорости ветра ОД < р„ < 1м/с

Со = 12,22ехр(-0Д38х) (12) С = 38,54ехр(—0,054х) (13)

- при скорости ветра 1 < г?в <5 м/с

С_0 = 48,48ехр (—0,13 8х) (14) С = 72,98е;ф(-0Д14х) (15)

- при скорости ветра 5 < vв <10 м/с

Со = 112,51ехр(~0Д38х) (16) С = 196Д5ехр(—0Д34х) (17)

Третья глава посвящена исследованиям дисперсного состава и аэродинамических характеристик пыли, образующейся при размещении строительных отходов на полигоне.

При этом пробы отбирались при поступлении на полигон отходов,

Рисунок 4 - Изменение концентрации пыли в атмосферном воздухе при открытом хранении измельченных строительных отходов и грунта при скорости ветра: 1 - 0,1 < г?в < 1 м/с; 2 -1 < г?в < 5 м/с;

3 - 5 < гв < 10 м/с строительно-монтажные работы (бой кирпича, бетона, деревянные изделия и т.д.);

- мобильное производство строительных материалов (БРУ, изготовление блоков) (просыпи песка, цемента, щебня и т.д.);

- отделочные работы (гипс кусковой и порошкообразный, силикатная масса и т.д.).

1 -1 Ж--/4 1

4 ■■И-.....- =Щ4г Щг

.............. +!'............. -+

-- 1 || ж -ИМ Ш-Ф? 4г - :

3 г^р: I Ьс. + 1--- 4 . _ —

тг — ж 1 4 ! 1 "(1

и- "( II

Рисунок 5 - Пофракционное распределение массы частиц пыли, образующейся при выгрузке отходов от отделочных работ

В качестве примера полученных результатов на рисунке 5 представлены зависимости, характеризующие пофракционное распределение массы частиц пыли, выделяющейся при разгрузке отходов, образующихся при проведении отделочных работ. На рисунке 6 приведены осредненные

результаты дисперсионного анализа для этого вида пыли. Очевидно, что интегральная функция распределения дисперсного состава для пыли строительных отходов В(с1) с высокой степенью точности может быть описана непрерывной ломаной линией четырехзвенным сплайном.

Ж4+-—

ТПТ

Рисунок 6 - Осредненное пофракционное распределение массы частиц пыли, образующейся при выгрузке отходов от отделочных работ

Пусть У!,...Уд, значения интегральной результате замеров в точках хг,...хы. Тогда

функции, полученные в

Уг = Уо + &о(*г - «о) + £(, Уг = Уо + Ог - а0) + е£ У1 = У(аа) + - ах) + г£,

Уь = У(а2) + кз(.*1 - а2) + £;,

а1'Уг)

если если а0 если й)

< а0

< *г

< эс(

< а!

< а,

(18)

если XI > а2

слома

где: ( а.ь у 1) - координаты

к0, кг, к2, к3 - коэффициенты наклона участка прямых.

Данная ломаная должна быть выбрана из условия минимума квадратичной формы = £т£

при изменении пяти параметров - у0,к0,к1,к2,кз. Этот минимум можно искать следующим образом (не фиксируя границы участков): для каждого а0 найдем величину тту0,ко,к1,к2,кз = 1£? и соответствующие значения Уо, к0, к1, к2, к3 , а затем находим минимум формы по а; и соответствующие ей минимальные значения у0, к0, кг, к2, к3 Таким образом получим искомую сплайн-функцию. Первый этап можно свести к задаче оптимального планирования, если ввести следующие обозначения: У = (у1... ум)-- вектор экспериментальных значений интегральной функции; Т - символ транспонирования; вт = (у0, к0, кик2, к3) - вектор неизвестных параметров; £ = (ег... - вектор отклонений; F — матрица размером (Лгх5), где N - число значений интегральной функции О(х).

Если систему уравнений (18) можно записать в виде следующего уравнения

У = Р(а0)6 + £ (19)

то решение данного матричного уравнения заключается в нахождении вектора вт = (у0, к0, fc1( к2, к3) для каждого фиксированного набора «узловых» точек (или точек «излома»).

Причем, согласно теореме Гаусса-Маркова, при условии det FTF Ф О оценки в по методу наименьших квадратов определены однозначно и имеют вид

ё(аг) = (FTF)~1FTY (20) Поэтому для каждого a¿ наименьшее по параметрам

у0, к0, къ к2, к3 значение ошибки ет£ определяется следующим образом ™nyM.k2,k,£T¿(ai) — (У ~ F^Fr^mY - F(FTF)~1FTY) (21) Построим матрицу F. Пусть экспериментальный набор полученных значений размеров частиц состоит из Лоточек. Разобьем весь интервал для d, от 0 до оо на участке «линейности» функции D(d) в логарифмически вероятностной сетке. При этом значение x¡ = lg di будут изменяться от -оо до оо. Пусть на первом интервале (- оо,lgd0] находится п точек, на втором интервале (lgd0, ,lgdi\ расположены значения от п + 1 до т, на третьем интервале (lgd1, lgd2] от т + 1 дор, на четвертом (lgd2,00 ) от р + 1 до N. Тогда систему уравнений (18) можно записать в следующем виде

Уг = Уо + ~ «о) + e¡, У i = У о + (*¡ - «о) + Ч У i = У(а0 + fcifai - «о) + k2(x¡ - aj + Е0 Уг = У(а0 + ^iCQi - а0) + к2(а2 - а,) + k3(x¡ - о2) + еи

если i < п если п < i < m если m < i < р если р < i < N

Тогда матрица F(a0, аг, а2) приобретает вид

(22)

F(a0,ava2) =

1 (хг - а0) 1 (хп - а0)

1

V 1

ООО

(хп+1 - а0) 0 0

(*m ~ а0) 0 О

Oí - а0) (я-т+1 - aj) 0

(ai - а0) (Хр - аг) 0

(aJ - а0) (а2 - аг) (хр+1 - а2)

- а0) (а2 - а±) (xN - а2) /

(23)

Как отмечалось выше, матрица F определяется не только набором значений логарифмов размеров частиц, но и значениями трех «узловых» точек а0, а1(а2, и, следовательно, сумма «квадрата отклонений» ете тоже будет зависеть от нашего выбора узловых точек. Поэтому на втором этапе

рассчитываем величины ете по каждому интервалу (а0, а1, а2). Затем определяем те значения а0, аъ а2, при которых достигается минимум формы £т£(а0,а1,а2), т.е., при котором сплайн-функция (18) является наилучшим приближением экспериментальных значений.

Анализ полученных результатов показал, что для пыли строительных отходов характерны следующие диапазоны:

- 1 < а0 <4 мкм; исключение составляет более мелкая пыль от отходов строительных материалов, содержащих цемент (рисунок 3.10), и от насыпи грунта (3.12), для которых менее четко прослеживается точка «слома»;

- 5 < аг <15 мкм;

-20 < а2 < 70 мкм.

Погрешность диапазона интервалов может обусловливать мелкая пыль. Такие результаты характерны преимущественно для пыли, образующейся при разгрузке отходов строительных материалов и при формировании изоляционного слоя из грунта. В этих случаях начальные отрезки графика могут сливаться в прямую, образуя при этом ломаную с тремя отрезками (трехзвенный сплайн).

Для экспериментальной оценки скорости оседания частиц исследуемой пыли был применен метод воздушной седиментометрии. Навески отобранной на полигоне пыли с разной массой распылялись в распылительной камере седиментометра, имеющего высоту 4,5 м и размеры поперченного сечения 0,07x0,1 м. Графическая зависимость, характеризующие изменение доли (от начальной навески м„) осевшей пыли в течение времени представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Интегральные кривые изменения массы осевшей пыли (в долях от массы начальной навески), образующейся при размещении строительных отходов на полигоне, в зависимости от времени при: 1 - Мн = 2 г; 2 - Ми = 5 г; 3 - Мн = 8 г

Полученные данные свидетельствуют о том, что в первые 4 с осаждаются частицы, общая масса которых составляет 50-75% от начальной массы

навески или 55-85% от общей массы осевшей пыли. При этом скорость оседания таких частиц изменяется от 1,5 до 4,5 м/с. Вместе с тем, пылевые частицы, общая масса которых составляет в среднем до 15% от начальной массы навески, остаются во взвешенном состоянии в неподвижном воздухе.

Четвертая глава посвящена практической реализации результатов проведенных исследований.

Определение дисперсного состава позволило оценить не только относительное содержание фракций в отобранных пробах исследуемой пыли, но и провести оценку доли содержания наиболее опасных и единственных нормируемых на сегодняшний день частиц РМ)0 и PM2j5.

В настоящее время для определения массы выбросов от неорганизованных источников используется по методике, при проведении расчетов по которой используются коэффициенты

, учитывающий весовую долю пылевой фракции в материале, и К2, характеризующий долю пыли, переходящей в аэрозоль.

Полученные экспериментальные результаты позволили определить величины этих коэффициентов для процессов размещения строительных отходов на полигоне ТБО

Для определения коэффициента Кх использовался метод репрезентативных выборок в объеме 0,1 % от общей массы отходов. Отбор проводился для 6 типов пыли, характерных для исследуемых процессов. Масса выборок просеивалась через набор сит с выделением фракции пыли размером от 0 до 200 мкм. Для определения коэффициента К2 использовался метод репрезентативных выборок, а также результаты исследований по определению скорости оседания пыли строительных отходов.

Кроме того, в связи с введением нормативов на содержание в атмосфере частиц пыли РМШ и PM2j5, предлагается дополнительно в существующей методике использовать коэффициенты К10 и К2,5, что позволит определять долю мелкодисперсной пыли в общей массе выбросов. Значения коэффициентов К10 и К2 5 могут быть определены по результатам дисперсионного анализа пыли с помощью выражений

К10 = 0,0Щ10мкм),АГ2,5 = 0,01D(2,5 мкм)

Одним из источников пылевого загрязнения окружающей среды на полигонах для захоронения отходов являются дробилки, в которых происходит измельчение отходов строительства для последующего их использования при формировании на рабочей карте промежуточных изолирующих слоев, для снижения пылевых выбросов от этого источника была разработана схема компоновки обеспыливающей установки, которая представлена на рисунке 8.

Для экспериментальной оценки эффективности и аэродинамического сопротивления предложенной установки обеспыливания были проведены опытно-промышленные исследования на полигоне, по результатам которых получены следующие зависимости, характеризующие эффективность и аэродинамическое сопротивление установки.

б отмоареру

Рисунок 8 - Схема компоновки системы обеспыливания для обслуживания дробилки. 1 - пылеуловитель ВЗП-800; 2 - циклон ЦН-15-400; 3 - бункер; 4 -

вентилятор; 5 - шибер

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований функционирования полигонов ТБО и строительных отходов как источников антропогенного воздействия на окружающие экосистемы.

Основные выводы по работе

1. Проведенный анализ показал, что строительные отходы, характеризующиеся значительным разнообразием компонентного состава, как правило, размещаются на полигонах ТБО. Проведение связанных с этим операций (выгрузка из автотранспорта, дробление, сталкивание на рабочую карту, уплотнение, формирование промежуточных изолирующих слоев и т.д.) сопровождается значительным выделением многокомпонентной пыли в окружающую среду. Оценка объемов пылевых выбросов в атмосферу в подобных случаях проводится по действующим методикам, в которых расчетные коэффициенты отнесены к конкретным строительным материалам. При проведении мониторинга состояния окружающей природной среды в период эксплуатации полигонов ТБО в соответствии с действующими в настоящее время нормативными документами не предусматривается оценка пылевого загрязнения атмосферы.

2. На основе вероятностно-стохастического подхода проведен анализ закономерностей распространения частиц пыли, выделяющейся при размещении отходов строительства на полигоне, и получены аналитические зависимости, описывающие эти процессы.

3. На основе экспериментальных исследований, выполненных в натурных условиях, установлены зависимости, характеризующие закономерности распространения частиц пыли в окружающей среде при проведении различных операций, связанных с размещением строительных отходов на полигоне (выгрузка отходов, их уплотнение, формирование промежуточного изолирующего слоя из измельченных строительных отходов и грунта, открытое хранение измельченных строительных отходов и грунта) при различных скоростях ветра. Также получены экспериментальные зависимости, позволяющие оценивать границы распространения «пылевого облака», образующегося при выгрузке отходов строительства.

4. По результатам дисперсионного анализа пыли строительных отходов с использованием теоремы Гаусса-Маркова разработана расчетная теоретическая модель для аппроксимации интегральной функции пофракционного распределения массы частиц четырехзвенным сплайном.

Получены функции плотности распределения для случайных функций О(10 мкм) и £>(2,5 мкм), характеризующие долю частиц РМю и РМ2>5 в пыли отходов строительства.

5. По результатам дисперсионного анализа и экспериментальной оценки скорости оседания частиц пыли строительных отходов уточнены значения расчетных коэффициентов, учитывающих весовую долю пылевой фракции в материале и долю пыли, переходящей в аэрозоль, при определении объема пылевыделений по действующим методикам. Кроме того, на основе экспериментальных данных предложено в таких расчетах использовать дополнительные коэффициенты, которые позволят определять долю мелкодисперсной пыли фракций РМю и РМ2,5 в общей массе выбросов.

6. Для снижения пылевых выбросов в атмосферу при дроблении строительных отходов на полигоне разработана схема компоновки установки обеспыливания и получена аналитическая зависимость для оценки ее эффективности.

По результатам опытно-промышленных испытаний на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов IV и V классов опасности ООО «ЕвроХим-ВолгаКалий» в Котельниковском районе Волгоградской получены экспериментальные зависимости, характеризующие эффективность и аэродинамическое сопротивление предложенной установки, и определены наиболее рациональные режимные параметры ее работы.

7. Разработанные рекомендации по расчету пылевых выбросов в атмосферу при захоронении отходов строительного производства использованы в ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой» при разработке разделов «Оценка воздействия на окружающую среду» и «Перечень мероприятий по охране окружающей среды» в проектах полигонов твердых бытовых и промышленных отходов Волгоградской области. Рекомендации по расчету концентрации пыли РМ10 и РМ2,5 переданы в ООО «Ассоциация Экотехмониторинг» для использования при расчетах загрязнения атмосферного воздуха.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Поляков, И. В. Основные принципы проектирования и строительства полигонов ТБО в Волгоградской области [Текст] / И. В. Поляков ; Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер. : Строительство и архитектура. - 2013. - Вып. 33 (52). - С. 166-173.

2. Поляков, И. В. О пылевом загрязнении атмосферного воздуха от площадных и нестационарных источников [Текст] / И. В. Поляков // Альтернативная энергетика. -2013. - № 11. - С. 37-42.

3. Поляков, И. В. Основные направления совершенствования природоохранных мероприятий при строительстве современного крупного промышленного комплекса [Электронный ресурс] / И. В. Поляков ; Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т // Интернет-вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Политехническая сер. — 2010. - Вып. 2(12). - Режим доступа: www.vestnik.vgasu.ru.

Отраслевые издания и материалы конференций:

4. Поляков, И. В. Пылевыделение при новом строительстве объектов промышлешюго назначения [Текст] / И. В. Поляков ; М-во образования и науки Рос. Федер., ФГБОУ ВПО «Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т» [и др.] // Проблемы охраны производственной и окружающей среды : сб. материалов и науч. тр. инженеров-экологов по материалам конф. ученых-экологов (Волгоград, 11-12 октября 2012 г.). - Волгоград : ПринТерра-Дизайн, 2013.-Вып. 5. -С. 76-79.

5. Поляков, И. В. Об утилизации строительных отходов [Текст] / И. В. Поляков ; М-во образования и науки Рос. Федер., ФГБОУ ВПО «Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т» [и др.] // Проблемы охраны производственной и окружающей среды : сб. материалов и науч. тр. инженеров-экологов по материалам конф. ученых-экологов (Волгоград, 11-12 октября 2012 г.). -Волгоград : ПринТерра-Дизайн, 2013. - Вып. 5. - С. 74-76.

6. Поляков, И. В. Об исследовании аэродинамических характеристик пыли в воздухе строительной площадки [Текст] / И. В. Поляков, К. А. Трохимчук ; М-во образования и науки Рос. Федер., ФГБОУ ВПО «Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т» [и др.] // Проблемы охраны производственной и окружающей среды : сб. материалов и науч. тр. инженеров-экологов по материалам конф. ученых-экологов (Волгоград, 11-12 октября 2012 г.). - Волгоград : ПринТерра-Дизайн, 2013. - Вып. 5. — С. 115-119.

7. Поляков, И. В. О механизмах управления экологической безопасностью в промышленных комплексах [Электронный ресурс] / И. В. Поляков, Н. В.

Денисова // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011 : сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. интернет-конф. - Украина, 2011. -Режим доступа: www.sworld.com.ua.

8. Поляков, И. В. Снижение негативного влияния строительства современного крупного промышленного комплекса на окружающую среду за счет внедрения природоохранных мероприятий (на примере Гремячинского горно-обогатительного комбината в Котельниковском районе) [Текст] / И. В. Поляков ; М-во образования и науки Рос. Федер., ФГОУ ВПО «Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т» [и др.] // Проблемы охраны производственной и окружающей среды : сб. материалов науч.-практ конф. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2010. - Вып. 2. - С. 100-106.

Поляков Илья Владимирович

Исследования пылевого воздействия на атмосферу полигонов ТБО и отходов строительства

05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.10.2014 г. Заказ №ЙМТираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84 1/16 Бумага писчая. Печать плоская.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1 Отдел оперативной полиграфии