автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Экологическая безопасность технологий переработки техногенных осадков в системе городского хозяйства

На правах рукописи

РЕНЦ Анна Игоревна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОСАДКОВ В СИСТЕМЕ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.23.19 - «Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства»

тзыонтз

005061567

Москва 2013

005061567

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ЩЕРБИНА Елена Витальевна,

Официальные оппоненты - ЧЕРТЕС Константин Львович,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», профессор кафедры «Химическая технология и промышленная экология»

- НЕПАРИДЗЕ Рауль Шалвович,

кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Гипрокоммунводоканал»

Ведущая организация -ОАО «Академия коммунального

хозяйства им. К.Д. Памфилова»

Защита состоится «26» июня 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, «Открытая сеть», ауд. № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «24» мая 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Потапов Александр Дмитриевич

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Основными задачами современной ноосферы в условиях урбанизации являются ограничение опасного воздействия техногенеза и повышение экологической безопасности городского строительства и хозяйства. В комплексе решения данных научных проблем существенное место занимает вопрос обеспечения экологической безопасности городских акваторий, в которых происходит отложение донных осадков, в результате процессов урбанизации изменяющих свой химический состав. Таким образом, происходит трансформация природных донных осадков в техногенные, которые, накапливаясь в городских водоёмах, прибрежных зонах, концентрируют в себе примеси техногенного происхождения, опасные загрязнители и патогенные микроорганизмы, впоследствии приводящие к нарушению устойчивости и возможному разрушению водных экосистем. Для решения этой проблемы принимаются федеральные, региональные и муниципальные программы, например, Государственная программа г. Москвы «Охрана окружающей среды» на 2012-2016 годы.

Имеющиеся исследования показывают, что осадки сточных вод, образующиеся на городских очистных сооружениях, иловых площадках представляют собой геохимический аналог техногенных осадков городских акваторий. Следовательно, к вопросам их утилизации могут применяться идентичные методы и технологии. Возрастающее с каждым днём воздействие хозяйственной деятельности на городские водные объекты диктует необходимость проведения экологической реабилитации поверхностных водоёмов и прибрежных зон, посредством удаления и переработки образующихся в них техногенных осадков.

В настоящее время наиболее распространенным методом утилизации техногенных осадков является их захоронение на полигонах, сжигание или размещение на полях фильтрации. Следует отметить, что в большинстве случаев полигоны не оборудованы специальной системой защиты от вредных воздействий и наносят огромный экологический ущерб как природной среде, так и населению из-за загрязнения почв, подземных вод и атмосферы. Второй по частоте использования в мировой практике способ утилизации -сжигание с последующей утилизацией золы на полигонах захоронения. В таком случае происходит разрушение большого количества органических веществ, содержащихся в техногенном осадке. При этом сжигание осадков влечёт за собой опасность образования и поступления в окружающую среду опасных элементов. По заявлениям ряда СМИ, на Юге России иловый осадок сточных вод всё чаще подвергается кражам с иловых площадок с целью дальнейшего мошенничества - перепродажи для сельскохозяйственных нужд под видом компоста. К тому же, поля фильтрации требуют отчуждения большого количества территорий.

Поэтому диссертационная работа, посвященная разработке биопозитивной технологии переработки техногенного осадка в системе городского

з

хозяйства, позволяющая получить строительный материал, пригодный для использования, актуальна и имеет научную и практическую значимость.

Цель диссертационной работы - обеспечение экологической безопасности технологий переработки техногенных осадков на основе модели комплексного обращения с данным типом отходов и способа, позволяющего получить новый материал для строительства.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Выполнен аналитический обзор и проведён анализ фактического состояния изучаемой автором проблемы;

2. Разработана модель комплексного обращения с техногенными осадками в системе городского хозяйства для обеспечения экологической безопасности применяемых технологий;

3. Определена биопозитивная технология переработки техногенных осадков городских прибрежных акваторий;

4. Произведён расчёт экономического ущерба используемых и биопозитивной технологий переработки техногенных осадков в системе городского хозяйства, позволяющий провести эколого-экономическую оценку применяемыхспособов;

5. Предложена экспериментальная методика, проведены лабораторные исследования, выполнен анализ и обобщение полученных данных определения прочности на одноосное сжатие преобразованного техногенного осадка.

Объект исследования - техногенные осадки в системе городского хозяйства, методы и средства обеспечения экологической безопасности используемых технологий в области переработки техногенных осадков в городском хозяйстве.

Методы исследований настоящей диссертационной работы включают в себя общенаучные методы теоретических исследований: аналитический анализ, сравнения, теорию математической статистики, апробированные экспериментальные методики исследования строительных материалов.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается применением современных методов исследований с использованием сертифицированных средств измерения, согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительным опытом апробации на практике.

Научная новизна исследований заключается в том, что:

- на основе экспериментальных исследований, выполненных автором, обосновано использование технологии преобразования техногенных осадков городских акваторий в строительных материал, возможный для использования в конструкциях защитных систем полигонов ТБО и других видах строительства;

- автором предложена модель комплексного обращения с техногенными осадками, позволяющая повысить экологическую безопасность городского хозяйства.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что: -предложенная и экспериментально обоснованная автором биопозитивная технология переработки техногенных осадков, позволяющая снизить негативные воздействия от их утилизации на окружающую среду, может быть использована в рамках реализации Государственной программы г. Москвы «Охрана окружающей среды» на 2012-2016 годы и других региональных и государственных программ;

-полученные данные использованы в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий по курсу «Экология городской среды», «Экология урбанизированных территорий».

Осповные положения диссертации, выносимые на защиту:

- модель комплексного обращения с техногенными осадками, позволяющая обозначить пути решения проблемы их экологически безопасной переработки;

- биопозитивная технология переработки техногенных осадков городских акваторий;

- результаты расчёта экономического ущерба используемых и биопозитивной технологий переработки техногенных осадков в системе городского хозяйства;

-результаты проведённых опытов, обосновывающие возможность использования биопозитивной технологии переработки техногенных осадков в строительный материал, применимый к использованию вконструкциях защитных систем полигонов захоронения ТБО;

- сопоставление российских и европейских стандартов в области технологий проведения экспериментальных исследований определения физико-механических характеристик водонасыщенных грунтов;

Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедры «Городское строительство и экологическая безопасность», «Инженерная геология и геоэкология» и докладывались на международных и российских научно-практических конференциях: Международная научная конференция, посвященная 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва 19-21 октября 2011); Научно-практическая конференция «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва 27-29 апреля 2012).

Публикации. По результатам представленных в работе исследований опубликовано 5 научных трудов, в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографии, изложена на 146 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков, 21 таблицу, список литературы из 124 наименований.

Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» на кафедре «Городское строительство и экологическая безопасность».

Автор глубоко благодарен сотрудникам ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и Высшей школы промышленного и гражданского строительства (ЕБТР) г.Парижа (Франция), в частности, профессору А.Беннаби, за предоставленную возможность проведения лабораторных исследований, отделу международных связей ФГБОУ ВПО «МГСУ» и О.Б. Ляпидевской, а также всем коллегам кафедры «Городское строительство и экологическая безопасность»,«Инженерная геология и геоэкология» и А.Д. Потапову лично, родным и близким за постоянную помощь и поддержку в работе.

II ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержатся аргументы, подтверждающие актуальность темы диссертационной работы, обоснованы постановки цели и задач исследования, показаны научная новизна, практическая значимость диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 изложены результаты аналитического обзора сложившейся ситуации в области экологии городской среды, обеспечения экологической безопасности городского строительства и хозяйства, в том числе образования и переработки техногенных осадков, как в российской, так и мировой практике. Отмечается, что к донным осадкам и их геохимическим аналогам - иловым осадкам сточных вод, образованным в системе городского хозяйства - могут применяться единые технологии переработки. На основе анализа работ отечественных и зарубежных авторовдиссертантом установлено, что организация обращения с техногенными осадками является актуальной для всех стран мира проблем, имеющей экологическое, экономическое и социальное значение. Полученные информационные данные позволяют произвести классификацию илов - водонасыщенных осадков преимущественно морских или пресноводных акваторий - по генезису. Автором проведен анализ работ в различных научных сферах: инженерная геология, биология, океанология, экология и других, который позволил доказать их экотоксичное воздействие на биосферу в целом.

Научная концепция современного знания о биосфере и экологии городской среды сформировалась благодаря научным работам великих учёных, среди которых Вернадский В.И., Ильичёв В.А., Циолковский К.Э.

Решению вопросов экологии городской среды, экологии водных ресурсов, экологической безопасности городского строительства и хозяйства, проблемам утилизации отходов производства и потребления посвящены работы таких российских исследователей, какБольшеротов А.Л.,БоровковВ.С., Волшаник В.В., Гордон В.А.,Истомин Б.С., Колчунов

В.И., Каримов А.М..Потапов А.Д., Пупырев Е.И., Слесарев М.Ю., Слепнев П.А., Теличенко В.И.. Чернышев С.Н.. Чертес К.Л., Щербина Е.В., Янин Е.П.

Проблемы обеспечения экологической безопасности, охраны городских водных объектов, переработки донных осадков городских акваторий и очистки осадков сточных вод подробно отражены в научных трудах Алексеева Е.В., БоровковаВ.В., Богомоловой Т.Г., Курочкиной В.А. , Чертеса К.Л., Янина Е.П.

На сегодняшний день особо опасным в случае с техногенными осадками является то, что передаваясь по пищевым цепям, загрязнители становятся всё более опасными для человека, разрушают элементы биосферы и нарушают баланс экосистем, что в последующем ведёт к их гибели. На рисунке 1 представлена схема распространения вредных веществ в элементах биосферы.

Токсичные вещества, содержащиеся в техногенном осадке

Первые независимые потребители

Гидросфера, Литосфера, Атмосфера

Первые зависимые потребители

Водная экосистема, растительность, микроорганизмы, птицы животные

Население

(ухудшение здоровья, повышенная заболеваемость)

Рисунок 1 Экотоксичное воздействие техногенных отложений на элементы экосистемы

Обзор российского и зарубежного опытов в области переработки техногенных осадков позволил выявить среди них наиболее используемые (обобщённые данные представлены на рис.2):

Рис. 2 Используемые способы переработки техногенных осадков в мировой практике

Проведённый анализ ситуации в области вышеописанной проблемы в Российской Федерации и других странах позволил установить, что лидерство таких способов переработки техногенных осадков, как сжигание и захоронение на полигонах, несовершенство с экологической точки зрения данных методов, указывает на необходимость организации модели комплексного обращения с рассматриваемым природно-техногенным материалом, в частности на муниципальном уровне с учётом экономических и экологических особенностей каждого региона, в том числес использованием просветительско-образовательных, нормативно-правовых методов и применения биопозитивных технологий. Новым направлением на пути реализации проблемы экологически безопасной переработки являются различные способы, основанные на применении биопозитивных технологий.

Глава 2 посвящена теоретическим исследованиям наиболее оптимальных критериев оценки экологически безопасной переработки техногенных осадков в России, разработке возможной модели комплексного обращения с ними, которая бы способствовала обеспечению экологической безопасности используемых в настоящее время технологий в системе городского хозяйства. В данной главе настоящей диссертационной работы приведены расчёты по определению экономического ущерба основных используемых в мире способов переработки техногенных осадков, а также новых методов, позволяющие провести эколого-экономическую оценку применяемых способов.

Биопозитивные технологии

Сжигание

Химическая, термическая,

радиационная очистка

Механическое

обезвоживание

Первое защищаемое положение.

Автором установлена необходимость организации модели комплексного обращения с техногенными осадками, обоснованной рядом всесторонних аспектов данного вопроса, которые делают поставленную задачу актуальной именно в настоящее время в связи с тем, что:

• происходит увеличение источников образования осадков, расширяется география их распространения, следовательно, ежегодно растёт объём образования,как в абсолютных величинах, так и на душу населения;

• усложняется состав техногенных осадков, включая в себя всё большее количество экологически опасных компонентов;

• с позиции социума, складывается всё более негативное отношение к «традиционным» способам утилизации данного типа отходов - вывоза на необорудованные природоохранными системами защиты места захоронения;

• законодательство на всех уровнях диктует ужесточающие правила обращения с отходами различного происхождения;

• внедряются инновационные технологии по утилизации отходов, в том числе применяются современные системы сортировки мусора, строятся мусоросжигательные заводы-электростанции, полигоны захоронения, обеспеченные системами защиты;

• применяются новые экономические подходы, предусматривающие увеличение цен на утилизацию отходов, происходит привлечение к современным системам управления отходами частных предприятий и крупных инвесторов;

Итак, модель комплексного обращения с техногенными осадками, учитывающая в совокупности вышеперечисленные социальные, экономические, технологические, инженерные аспекты, позволит обеспечить экологическую безопасность применяемых решений в системе городского хозяйства.

В связи с вышесказанным, можно отметить принципы комплексного обращения с техногенными осадками, которые заключаются в следующем:

1. Техногенные осадки в зависимости от происхождения содержат в себе различное количество и характер химических соединений и компонент, следовательно, в зависимости от наличия в них тех или иных элементов, к их переработке должны применяться различные методы. При этом, муниципальная схема обращения с техногенными осадками должна разрабатываться с учётом конкретных местных проблем. Опыт переработки техногенных осадков должен приобретаться постепенно посредством поэтапной разработки и реализации небольших программ;

2. Проведение экологического контроля, мониторинга образования и накопления техногенных осадков. Проведённые исследования Т.Г. Богомоловой, B.C. Боровкова, В.А. Курочкиной позволили установить загрязнение речных водотоков и водоёмов в пределах урбанизированных территорий, определить объёмы техногенных загрязнений при очистке

речных русел в пределах крупных городов РФ. Разработанный метод В.А. Курочкнной позволяет прогнозировать количество накопления загрязнённых техногенных осадков в речных руслах. К тому же, в данных вопросах представляется целесообразным использование современных геоинформационных систем.

3. Экологическое образование и просвещение населения, повышение уровня экологической культуры основных «производителей» техногенных осадков. Информирование населения об экологической обстановке, о состоянии проблемы. Недопущение засорения, сброса мусора в реки, озёра и другие поверхностные водоёмы, расположенные, в том числе, и в рекреационных зонах, снижение количества образования сточных вод. Учитывая вышесказанное, модель комплексного обращения с техногеннымосадком может быть представлена в следующей иерархической последовательности (рис.3):

1. Первый уровень - сокращение образования количестватехногенных осадков. Данный этап является необходимым и важным этапом на пути реализации программы по экологически безопасному управлению обращением с техногенными осадками. Сокращение количества их образования может достигаться за счёт уменьшения общего количества образующихся техногенных осадков, снижения их токсичности и содержания в них вредных элементов. Для этого могут применяться системы экологического контроля и мониторинга с использованием современных геоинформационных систем, экологическое воспитание населения. Реализация этой программы должна устанавливаться законодательно по возможности на государственном, региональном и муниципальном уровнях.

2. Второй уровень - переработка техногенных осадков, который

в концепции комплексного управления обращения с техногенными осадками в системе городского хозяйства занимает важное место. Способ дальнейшего обращения с техногенными осадками определяется в зависимости от установленных в лабораторных условиях минерального и химического состава исследуемого материала, плотности, влажности, пористости, прочности, состава примесей, а по возможности и результатов исследований для соблюдения требований, предъявляемых к тому или иному возможному способу переработки техногенных осадков. Второй уровень позволит применить по отношению к техногенным осадкам не только проверенные временем, изученные, распространённые в мире способы обращения, но и новые биопозитивные, например, изучаемое в настоящей работе применение переработанного техногенного осадка в защитных конструкциях полигонов ТБО.

Рис. 3 Модель комплексного обращенияс техногенными осадками

Итак, предлагаемая модель комплексного обращения с техногенными осадками, учитывающая в совокупности социальные, экономические, технологические, инженерные аспекты, позволяющая получить экологический паспорт материала и наиболее оптимальный путь решения изучаемой проблемы, даёт возможность обеспечить экологическую безопасность применяемых решений в системе городского хозяйства в области переработки техногенных осадков.

Второе защищаемое положение.

Предлагаемую в данной работе биопозитивную технологию переработки техногенного осадка схематически можно представить в следующем виде (рис.4):

Изъятие ТО:

-машины, механизмы

Доставка ТО в лабораторию: - автотранспорт

Лабораторная сушка ТО: -сушильный шкаф

Транспортировка на строительный

объект: -автотранспорт

Хранение до набора 90% прочности: -климатическая камера

Приготовление материала на базе ТО: -цемент, вода, миксер

Укладка материала

- машины и механизмы;

Мониторинг состояния объекта

- измерительные приборы и механизмы

Рис. 4 Биопозитивная технология переработки техногенного осадка

*во всех пунктах обязательным считается наличие необходимого и достаточного количества трудовых ресурсов; ТО - техногенный осадок;

Вышепредставленная технология позволит обеспечить переработку техногенного осадка биопозитивным способом и даст возможность использовать полученный в результате проведённых мероприятий материал в строительстве, например, в устройстве защитных конструкций полигонов захоронения ТБО.

В диссертации приведены расчёты по определению экономического ущерба от воздействия основных используемых способов переработки техногенного осадка - захоронение на полигонах депонирования и сжигания - и биопозитивной технологии, позволяющей применение переработанного природно-техногенного материала в устройстве защитных экранов основания и поверхности полигонов ТБО (третье защищаемое положение).

Под экономическим ущербом понимают выраженные в стоимостной форме фактические и возможные убытки, причиняемые народному хозяйству загрязнением окружающей среды.

Экономическая оценка удельного ущерба Ув (руб/год) от сброса загрязняющих примесей в водоём источником загрязнения определяется по формуле:

Ув= уокМ,

где у - константа, численное значение которой рекомендуется принимать руб./усл. Т.На 2012 год у =668 руб/усл.т.

ак- константа, имеющая разные значения для различных водохозяйственных участков и учитывающая экологическую ситуацию в регионе; М- приведённая масса годового выброса загрязнений, усл.т./год;

При атмосферном загрязнении мест захоронения отходов экономическая оценка ущерба, причиняемого годовыми выбросами компонентами биогаза полигонов захоронения отходов в атмосферный воздух, определяется:

Уатм= ус/М,

где у - константа, определяющая стоимость условной тонны выбросов, руб./усл.т.. На 2012 год у=668 руб/усл.т.

с - показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территориями различного типа;

/ - безразмерный коэффициент, учитывающий характер рассеивания примесей и лёгких мелкодисперсных частиц в атмосфере. Его величина зависит от скорости оседания частиц, высоты их выбросов от земли, температуры газа;

М- приведённая масса годового выброса загрязнений, усл.т./год;

Таким образом, согласно проведённым автором расчётам, величина суммарного ущерба от воздействия полигона захоронения и завода по сжиганию илового осадка может достигать ~ 28 млн. руб/год, что эквивалентно =»700 ООО €/год. Экономический ущерб от воздействия на окружающую среду от биопозитивной технологии, представленной на рис. 4, минимален, при применении данного способа переработки техногенного осадка образуется минимальное количество негативного воздействия на атмосферу, гидросферу, почвы и недра.

Анализ полученных расчётных данных позволил доказать небезопасность использования технологий сжигания и захоронения техногенных осадков без соблюдения природоохранных мероприятий, а также целесообразность использования биопозитивных технологий.

В главе 3 приведены основные физико-химические свойства объекта исследования, приводятся обоснование проведения экспериментов по изучению прочности на одноосное сжатие преобразованного с помощью двух вяжущих техногенного осадка портовых прибрежных акваторий г. Гавра (Франция). Автором проанализированы основные характеристики материалов, используемых в работе, сопоставлены европейские и российские стандарты в области технологий проведения экспериментальных

13

исследований определения физико-механических характеристик водонасыщенных грунтов;

Для проведения эксперимента использовался техногенный осадок морских прибрежных акваторий крупного промышленного города-порта Гавра, расположенного на территории Франции в провинции Нормандия на побережье пролива Ла-Манш, относящегося к акватории Атлантического океана. Объект исследования представляет собой техногенный осадок морских портовых акваторий чёрного, темно - серого или буровато-коричневого цвета, обладающий химическим запахом, вязкотекучей или мягкопластичной консистенции, характеризуется высоким содержанием алевритовых или глинистых частиц, органических веществ, глинозёма, серы, тяжёлых металлов и ряда других химических элементов.Осадок портовых акваторий города Гавра можно охарактеризовать как сложное органоминеральное образование, вещественной основой которых служит материал антропогенного происхождения, поступающий в водоёмы преимущественно вместе со сточными водами и поверхностным стоком с городских территорий. Данный техногенныйосадок является

концентратором массы поллютантов, активно влияет на жизнь водной экосистемы и определяет экологическое состояние портовых прибрежный акваторий.

Основными свойствами исследуемых грунтов являются его высокая влажность (в пределах 85-87%), малая прочность (менее 1 МПа), высокая пористость (средние значения около 80%), низкий коэффициент консолидации (в пределах отЮ"5 до 10"шсм2/с), сильная сжимаемость (диапазон изменчивости модуля деформации Е достаточно широк - от 31 до 91 кПа, или 0,31 до 0,91 кг/см2), плотность р в среднем не превышает 2,2 г/см3, плотность скелета грунта ра колеблется в пределах 0,3- 0,5 г/см3. Рассчитанная по методу Проктора оптимальная влажность не превышает 25%, согласно проведённому гранулометрическому анализу, около 40% материала имеют размер фракций более 0,063мм. Предел текучести и предел пластичности составляют 78% и 31% соответственно.

Практически любые донные осадки городских водных объектов содержат в себе кадмий, ртуть, медь, цинк, хром, марганец, литий, свинец, фосфор, висмут, железо и др. металлы. Одновременно с наличием большого количества поллютантов, в техногенном осадке городских акваторий общее количество органического вещества значительно увеличивается. Однако, при этом изменяется и его качественная структура, то есть при одновременном снижении содержания гумусовых веществ происходит увеличение содержания жироподобных веществ и труднорастворимой органики.

Минеральный состав портовых техногенных осадков г. Гавра (Франция) был изучен в 1996 г., результаты исследований представлены на рисунке 5.

а Кварц 33% ■Кальцит 25% * Полевые шпаты 3% ■ Доломит 2% я Пирит 1% к Каолинит 10% & Монтмореллонит 20% «Иллиг7%

Рис. 5 Минеральный состав техногенных осадков г. Гавра (Франция)

Научная гипотеза экспериментальных исследований настоящей диссертационной работы заключалась в том, что в результате химических реакций между органическими и неорганическими веществами, содержащимися в осадке, и вяжущими, возникает конечный продукт с механическими характеристиками, достаточными для его использования в качестве строительного материала.

Для проверки принятой научной гипотезы лабораторных исследований были проведены опыты с целью изучения прочности на одноосное сжатие преобразованного с помощью двух вяжущих веществ техногенного осадка города Гавра. В качестве вяжущих были выбраны щлакопортландцеменг и грунтобетон «Оео81а». Грунтобетон представляет собой порошкообразное вспомогательное вещество, скомбинированное из щелочных и минеральных элементов и более сложных составляющих.Количество первого вяжущего -шлакопортландцемента - берется процентном содержании от общей массы объекта исследования (техногенного осадка) в количестве 5%, 7,5% и 10%, второго вяжущего - 1,3% по массе осадка. Количество первого вяжущего в пределах ниже 5% и 10% предполагается экономически нецелесообразным. Количество воды берется в соответствии с исследованиями по определению оптимальной плотности грунта по методу Проктора- 25%. Для выполнения поставленной задачи необходимо произвести образцы цилиндрической формы и изучить их механическую прочность с использованием электромеханического пресса в различном возрасте - 7, 14, 28 и 90 суток. Возраст суток зависит от набора прочности основного вяжущего материала -шлакопортландцемента, который происходит согласно процессу твердения бетонов.

Изучение механической прочности преобразованного техногенного осадкавыполнялось на цилиндрических образцах со следующими размерами: диаметр 80мм, высота 100мм.

Программа реализации эксперимента включала в себя выбор методики проведения опытов. За основу была принята методика проведения

исследований грунтовых материалов для дорожного строительства Франции, которая включала следующие этапы:

1) Определение физико-механических характеристик водонасыщенного грунта (техногенного осадка);

2) Изготовление образцов цилиндрической формы с размерами: диаметр 80мм, высота 100 мм (для статистической обработки результатов опыты проводились с использованием трёх идентичных образцов) в том числе (рис. 6):

• изготовление грунтовой смеси с использованием электрического миксера;

• изготовление образцов с использованием специальных форм и электромеханического пресса;

• помещение полученных образцов в климатическую камеру (постоянная температура 20 °С, влажность 50%) на надлежащий срок (7, 14, 28 и 90 суток), то есть до наступления срока проведения испытаний по определению прочности на одноосное сжатие);

Рис. 6 Реализация второго этапа экспериментальных исследований

3) проведение испытаний по определению прочности образцов в возрасте образцов 7, 14, 28 и 90 суток на одноосное сжатие (рис.7). По достижении образцом надлежащего срока проводились их испытания на одноосное сжатие. В данных опытах использовался электромеханический пресс лаборатории MTSInsight 100. В процессе проведения эксперимента нагружение велось с возрастающей силой с постоянной скоростью до полного разрушения образца (рис.7.1, 7.2).

Напряжение в образце вычислялись по формуле:

Т= РА,

где Б - предельное разрушающее усилие, кН;

А - площадь поперечного сечения образца, м2.

Прочность образца на одноосное сжатие соответствовала нагрузке при разрушении образца.

Рис. 7.1,7.2 Определение прочности образцов на одноосное сжатие

4) статистическую обработку, обобщение и анализ полученных результатов исследований;

В 4 главе приведены результаты, анализ и оценка полученных в результате проведённых экспериментальных исследований данных.

Четвёртое защищаемое положение.

По итогам полученных автором в процессе проводимых опытов результатов, на рисунке 8 построены графические зависимости напряжения от вертикальных деформации образца, которые определялись отношением перемещения штампа пресса к начальной высоте образца с учётом статистической обработки результатов.

Рис. 8 Результаты испытаний образцов в возрасте 28 суток

* на рисунке приняты следующие обозначения: ШПЦ - шлакопортландцемент, в — грунтобетон ОеойШ;

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы:

- использование двух вящущих веществ для повышения прочности техногенного осадка (ШПЦ+Сеоз1а) не даёт устойчивых результатов, следовательно, их дальнейшее применение в устройстве защитных экранов полигонов ТБО без повторных и дополнительных исследований не рекомендуется (нецелесообразно);

- использование в качестве добавки шлакопортландцемента показывает, что прочность на одноосное сжатие увеличивается пропорционально массе добавки и достигает максимального значения 2,8 МПа при 10% содержании добавки, что достаточно для применения этого материала в конструкции защитного экрана основания или поверхности полигона ТБО, следовательно, экспериментальные исследования по увеличению содержания добавки нецелесообразно с экономической и технической точек зрения;

Итак, полученные результаты подтверждают принятую научную гипотезу экспериментальных исследований о том, что в результате химических реакций между органическими и неорганическими веществами, содержащимися в техногенном осадке, и вяжущими, возникает конечный продукт с механическими характеристиками, достаточными для использования в строительстве, например, при устройстве защитных экранов основания поверхности полигона ТБО.

Пятое защищаемое положение.

При проведении экспериментальной части исследований использовалась нормативная документация, действующая на территории Евросоюза. В связи с этим в рамках проводимой работы выполнен сравнительный анализ российских ГОСТ и норм Евросоюза, в результате которого были выявлены

нижеследующие разногласия и соответствия, представленные в таблице 1. При проведении сопоставления нормативной базы рассматривались следующие документы: ГОСТ 5180-84, ГОСТ 12536-79, ГОСТ 22733-77, NF-Р 94-051, NFEN 933-1, NF-P 94-050, NFP 94-093, NFX 11-501, NFP 98-251-1, NFP94-0510.

Таблица 1

Анализ сравнения EN и российских стандартов

Государственные стандарты Результаты сравнения

РФ ЕС

ГОСТ 12536-79 NFEN 933-1, NFX 11-501 • при проведении гранулометрического анализа применяются разные наборы стандартных сит;

ГОСТ 5180-84 NF-P94-051 • несоответствие терминологии. Пределы влажностей на границах текучести и раскатывания в ЕМименуются пределами Аттенберга; • для связных грунтов для определения влажности на границе текучести в России используется балансирный конус, в ЕС - прибор и методика А. Казагранде; • различие в классификации грунтов в зависимости от численного значения числа пластичности показателя текучести;

ГОСТ 22733-77 NFENP94-05 • определение в ЕК оптимальной влажности грунта по методу Проктора; • различные способы нагружения образца и, как следствие, различие в полученных результатах;

1П ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведённый автором анализ состояния проблемы позволил выявить возрастающую динамику воздействия хозяйственной деятельности на городские водные объекты. Такое положение диктует необходимость проведения экологической реабилитации поверхностных водоёмов и прибрежных зон, посредством удаления и переработки образующихся в них техногенных осадков, что обуславливает актуальность задачи разработки дружественных окружающей среде технологий методов утилизации данного типа отходов;

2. Разработана модель комплексного обращения с техногенными осадками городского хозяйства, позволяющая обеспечить экологическую безопасность их переработки и снизить техногенные воздействия на городские водные объекты;

3. Предложено новое, экспериментально обоснованное направление переработки техногенного осадка в системе городского хозяйства, позволяющее получить материал, пригодный к строительному использованию, например, в защитных конструкциях полигонов ТБО;

4. Показано, что для оценки экологической безопасности технологий переработки техногенного осадка целесообразно использование методики определения экономического ущерба. Результаты расчета выявили, что ущерб от предложенной технологии существенно меньше, чем от сжигания и захоронения на полигонах.

5. Предложена и апробирована экспериментальная методика испытаний образцов нового материала, которая может быть использована в рамках реализации Государственной программы г. Москвы «Охрана окружающей среды» на 2012-2016 годы и других региональных и государственных программ.

6. Полученные автором результаты проведённых опытов, расширяют научные представления об изменении механических свойств техногенного осадка и обосновывают целесообразность использования одного из двух рассмотренных вариантов вяжущего -шлакопортландцемента - для получения нового строительного материала.

7. Результаты работы используются в учебном процессе для преподавания студентам дисциплин «Экология городской среды», «Экология урбанизированных территорий».

Список публикаций, отражающих результаты работы:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК:

1. Ковальская А.И. Обеспечение экологической безопасности утилизации иловых осадков[Текст]//Экология урбанизированных территорий. — 2011,—№4, —с.70-72

2. Ковальская А.И.Обоснование использования илового осадка прибрежных акваторий портовых сооружений города Гавра (Франция) для целей дорожного строительства [Текст]//А.И.Ковальская, А.Беннаби// Современные проблемы науки и образования. — 2012. — №2. Режим доступа: \vwvv. science-education.ru/102-6005. Дата обращения: 23.09.2012

3. Щербина Е.В. Основы концепции комплексного управления обращением с иловыми осадками для обеспечения экологической безопасности в городском хозяйстве [Текст]// Е.В. Щербина, А.И. Ковальская// Науковедение.— 2012. — №4. Режим доступа: www.naukovedenie.ru/PDF/77tvn412.pdf. Дата обращения: 08.01.2013

Публикации в других научных изданиях:

1. Ковальская А.И. Актуальные экологические вопросы утилизации иловых осадков [Текст]/ Сб. трудов международной научной конференции «Интеграция, партнёрство и инновации» (г.Москва, ФБО ВПО МГСУ, 2011 ). - Т.2. - стр. 428-431

2. Ковальская А.И. Мировой опыт в области переработки и утилизации иловых осадков техногенных акваторий [Текст]/Сб. трудов международной межвузовской научно-практической конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (г.Москва, ФБО ВПО МГСУ, 2012). - стр. 265

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru