К вопросу о рекультивации полигонов промышленных отходов

Введение

Глобальная климатическая повестка и переход к низкоуглеродной экономике формируют спрос на природо-ориентированные решения для секвестрации атмосферного углерода. В этом контексте создание «карбоновых ферм» для рекультивации промышленных полигонов захоронения отходов становится перспективным направлением, сочетающим экологический и потенциальный экономический эффект [1; 2, с. 31-38].

Эффективная реализация подобных инициатив требует комплексного научного подхода, объединяющего экологическое обоснование, экономический расчет и разработку надежных эффективных технологий рекультивации. В этом аспекте существует научно-практическая потребность в исследованиях, которые бы интегрировали эти аспекты применительно к конкретным российским реалиям [2, с. 31-38].

Рекультивация промышленных полигонов представляет собой комплекс инженерно-технических, экологических и биологических мероприятий, направленных на восстановление нарушенных земель и придание им хозяйственной, природоохранной или социальной ценности. В научной литературе и практике выделяют два основных взаимодополняющих направления рекультивации – техническую и биологическую, каждое из которых включает разновидности, отличающиеся по целям, технологиям и конечному назначению земель.

В этих условиях рекультивация полигонов выступает не только инструментом снижения экологических рисков, но и ключевым направлением устойчивого развития территорий. Разработка стратегических принципов рекультивации становится основой для формирования долгосрочной, системной и научно обоснованной политики восстановления нарушенных земель.

В связи с изложенным, представляется актуальным технико-экономическое обоснование создания экспериментальных карбоновых ферм в интересах рекультивации промышленных полигонов захоронения отходов [3].

Основная часть

Основные принципы рекультивации промышленных полигонов отходов

Методы рекультивации разделяются на технические и биологические, что формирует разнообразие подходов к рекультивации отходов и позволяет адаптировать решения под специфические условия каждого полигона.

Основные стратегические принципы рекультивации включают [3]:

• Принцип комплексности;
• Принцип превентивности;
• Принцип экологической безопасности;
• Принцип адаптивности и индивидуального проектирования;
• Принцип ресурсной эффективности;
• Принцип социально-экономической обоснованности;
• Принцип пострекультивационного мониторинга.

Принцип комплексности: предполагает многосторонний анализ экологической ситуации на полигоне; использование междисциплинарных решений (геология, гидрология, экология, инженерия); интеграцию мероприятий по газопонижению, дренажу, очистке загрязнённых сред и форми­рованию почвенного слоя.

Принцип превентивности: предполагает предотвращение потенциальных негативных последствий, а не ликвидацию уже возникших проблем.

Принцип экологической безопасности: эпредполагает ориентацию на минимизацию воздействий на окружающую среду и здоровье населения. Экологическая безопасность является ключевым критерием эффективности всей рекультивации.

Принцип адаптивности и индивидуального проектирования: каждый полигон обладает уникальными характеристиками: возраст, типы отходов, геология участка, климат, степень разложения, уровень газообразования. Принцип адаптивности означает учет местных климатических и географических особенностей.

Принцип ресурсной эффективности: современные подходы ориентируются на интеграцию рекультивации в принципы циркулярной экономики.

Принцип социально-экономической обоснованности: предполагает учет интересов населения, муниципальных структур и хозяйствующих субъектов.

Принцип пострекультивационного мониторинга: мониторинг после завершения работ обеспечивает контроль устойчивости восстановленной территории. Этот принцип обеспечивает долгосрочную эффективность рекультивации.

Теоретические основы рекультивации промышленных полигонов

По функционалу технические методы рекультивации можно классифицировать следующим образом [3]:

• геотехнические методы;
• инженерно-строительные методы;
• защитно-барьерные методы.

Сводные данные по рассмотренным методам рекультивации представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сводные данные методов рекультивации

В современных проектах рекультивации применяется комбинированный подход, предусматривающий постепенный переход от технической стабилизации к биологическому восстановлению, что позволяет добиться устойчивого и долговременного результата.

Успешная рекультивация полигонов промышленных отходов – это комплекс мероприятий, результатом которых является не только восстановление ландшафтной, экологической и инженерной устойчивости территории, но и обеспечение ее безопасного дальнейшего использования. Общепринятые критерии успешной рекультивации полигонов приведены в таблице 2 [4].

Таблица 2

Основные группы критериев успешной рекультивации

Экологические критерии направлены на оценку степени восстановления природных функций территории, снижения уровня загрязнения, а также восстановления биологического разнообразия и экосистемной устойчивости.

Ключевым показателем рекультивации является снижение концентрациия токсичных веществ (тяжелых металлов, нефтепродуктов, фенолов, пестицидов, кислотных соединений) в почве, воде и воздухе. Успешной считается рекультивация, при которой показатели загрязнения не превышают значения предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарно-эпидемиологическими и экологическими нормативами.

Ключевой задачей рекультивации является восстановление биологической продуктивности загрязненной среды.

Кроме рассмотренных критериев на практике применяется интегральная оценка успешности рекультивации. Для количественной оценки как правило используется многокритериальная оценка, где каждый критерий имеет весовой коэффициент. для количественной оценки часто используется многокритериальная оценка, где каждому критерию присваивается весовой коэффициент, отражающий его относительную важность.

Метод многокритериальной оценки состоит из четырёх шагов:

1. Определение критериев. Нужно указать, по каким параметрам будет проводиться оценка.
2. Определение весов. Вес – это число от 0 до 1, которое зависит от важности критерия. В сумме эти веса должны составлять единицу.
3. Оценка вариантов. Каждую альтернативу нужно оценить по каждому из критериев.
4. Расчёт результата. Каждую оценку умножают на вес критерия и суммируют результат.

Весовые коэффициенты обычно задаются экспертно, на основе анализа важности каждого критерия для достижения общей цели [6].

Итоговая эффективность рассчитывается по формуле 1:

Где:

E- интегральный показатель эффективности;

Wi- удельный вес i-го критерия (0-1);

Ki- значение критерия в процентах или баллах.

Рассмотрим изложенные выше критерии примере моделирования рекультивации промышленного полигона.

Моделирование рекультивации промышленного полигона

Полигон находится в Волгоградской области и занимает площадь 112,9 тыс. км², 78% которой составляют земли сельскохозяйственного назначения.

Климат области засушливый, с резко выраженной континенталвностью. Северо-западная часть находится в зоне лесостепи, восточная - в зоне полупустынь, приближаясь к настоящим пустыням. Исследуемый объект расположен в сухостепной зоне. Средняя температура января от -8°C до -12°C, июля от +23°C до +25°C. Среднегодовое количество осадков выпадает на северо-западе до 500 мм, на юго-востоке - менее 300 мм. Абсолютный максимум тепла +42…+44°C наблюдается обычно в июле-августе. Абсолютный минимум температуры воздуха составляет -36…-42°C и наблюдается в январе-феврале. Среднемноголетние сроки образования устойчивого снежного покрова в северных районах – 11–17 декабря, в южных – 20–25 декабря. Снежный покров сохраняется от 90 до 110 дней. Средние значения высоты снежного покрова колеблются от 13 до 22 см. Растительность относится к степной зоне.

Почвообразующие породы Волгоградской области разнообразны. По содержанию основных компонентов их можно разделить на: пески и опоки; глины, суглинки, алевролиты; карбонатные породы (мел, известняк, мергель).

В рамках рассматриваемой территории наиболее подходящим к решению стоящей задачи по технико-экономическому обоснованию создания экспериментальной карбоновой фермы в интересах рекультивации объекта подходит полигон промышленных полигонов захоронения отходов [7].

Полигон промышленного захоронения отходов расположен в области распространения автоморфных светло-каштановых солонцовых комплексов, включающих фоновые светло-каштановые солонцеватые и несолонцеватые почвы, от 10 до 30% солонцов и около 10–15% лугово-каштановых почв. На самом Полигоне захоронения отходов на технологических картах созданы техногенные поверхностные образования, в верхней части которых постепенно формируются слаборазвитые почвы.

В качестве основного оптимизационного экономического принципа рекультивации принят подход перехода от модели «затраты на выполнение обязательств» к модели «инвестиции в создание новых активов». Ключевой принцип – монетизация экологического и социального эффекта.

Принимается, что рекультивация полигона осуществляется путем создания карбоновой фермы с соблюдением всех необходимых требований и условий, включая выбор лучших сортов сельхозпродукции, чтобы можно было увеличить ее урожайность. Однако, поглощение CO₂ происходит в основном за счет создания нового растительного покрова, а то есть биомассы, благодаря которым образуются накопления углерода в формирующемся почвенном гумусе. Наиболее эффективные культуры с этой точки зрения являются – ива, тополь, люцерна, рапс, горчица. Эти растения способны накапливать в своей биомассе значительное количество токсичных элементов, после чего биомасса может утилизироваться. Выбор в исследовании основного источника для накопления в своей биомассе был выбран тополь, потому что он имеет устойчивость к неблагоприятным внешним условиям, а гибриды тополей имеют высокий адаптивный потенциал к сложным климатическим условиям, засухоустойчивы и способны переносить суровые зимы.

Мониторинг данных для оценки поглощения парниковых газов в рамках проектов карбоновых ферм с применением краткосрочных севооборотов на основе быстрорастущих деревьев на деградированных землях, агролесоводческих инициатив, лесовосстановительных мероприятий (лесных плантаций) или энергетических посадок с коротким циклом ротации будет, предположительно, включать количественную оценку запасов углерода в следующих пулах биомассы:

Кроме того, мониторинг должен включать учет углерода в пулах полезной продукции: полезная продукция для проекта лесной плантации, полезная продукция для проекта агролесоводство, биотопливо для проекта энергетической плантации короткого цикла ротации.

К потенциальным источникам выбросов парниковых газов в рамках применяемого климатического проекта целесообразно отнести выбросы от сжигания ископаемого топлива:

Карбоновые фермы с коротким севооборотом (SRC) как вариант землепользования тщательно исследовался в последние десятилетия в многочисленных международных исследованиях, и выводы этих исследований подчеркивают наиболее важные аспекты и соображения, влияющие на успешное применение SRC.

Создание карбоновых фермы для рекультивации полигонов промышленных отходов с коротким севооборотом (SRC) с реализацией дальнейшего землепользования – это долгосрочные инвестиции, требующие тщательного планирования, основанного на оценке экологических условий объекта, финансовых обстоятельств (стоимость аренды земли, денежных потоков и прибыли, включая цену на углерод/ стоимость углеродных единиц) и математических моделей.

Для условий реализации проекта принято применение методологии количественной оценки поглощения парниковых газов по аналогии с условиями лесоразведения. Расчет проектных поглощений выполняется по уравнениям с использованием элементов методологии VM0047 [7].

, (2)

Где:

∆CWP,t – изменение запасов углерода по проекту в год t, тСО2;

∆CWP_biomass,t – изменение запасов углерода в углеродных пулах биомассы по сценарию проекта через год t, тС;

∆CWP_SOC,t – изменение запасов углерода в SOC по сценарию проекта через год t, тС.

, (3)

Где:

CWP_SOC,t – средние запасы углерода в почве по сценарию проекта в год t, тС;

, (4)

Где:

∆CWP_woody,t – изменение запасов углерода в древесной биомассе по сценарию проекта через год t, тС;

∆CWP_herb,t – изменение запасов углерода в недревесной биомассе по сценарию проекта через год t, тС. Опционально не учитываются в границах проекта как несущественные;

∆CWP_DW,t – изменение запасов углерода в валежной древесине по сценарию проекта через год t, тС. Опционально не учитываются в границах проекта как несущественные;

∆CWP_LI,t – изменение запасов углерода в подстилке по сценарию проекта через год t, тС. Опционально не учитываются в границах проекта как несущественные.

, (5)

Где:

CWP_woody,t – средние запасы углерода в древесной биомассе по сценарию проекта в год t, тС;

, (6)

Где:

CW[P_woody]_AB,t – средние запасы углерода в надземной древесной биомассе по сценарию проекта в год t, тС;

R – соотношение корней и побегов (т корней с.м./т побегов с.м.).

Изменение в запасах углерода в углеродная пулах биомассы в рамках данного исследования спрогнозировано на 1 га для кредитного периода, равного 15 лет.

Таким образом, согласно уравнениям (5) или (6), прогнозные поглощения парниковых газов по проекту к концу кредитного периода, равному 15 лет, составят ∆CWP,t = 304,6 тCO2/га при соблюдении режима короткого севооборота. В случае расширения проекта на площадь до 36 га ориентировочное количество углеродных единиц составит 10 965 УЕ.

Заключение

Проведённый анализ охватывает ключевые стратегические аспекты рекультивации полигонов промышленных отходов и демонстрирует, что эффективная рекультивация должна основываться на принципах комплексности, превентивности, экологической безопасности, адаптивности и индивидуального проектирования, ресурсной эффективности, социально-экономической обоснованности и обязательного пострекультивационного мониторинга. Успех рекультивации определяется совокупностью экологических и инженерных критериев, включающих снижение загрязнения, восстановление биоценоза, обеспечение экологической и гидрогеологической безопасности, геомеханическую устойчивость и технологическую пригодность территории, что подтверждается применением интегральной многокритериальной оценки с учетом весовых коэффициентов.

Выполненные расчёты показали, что такие подходы, как производство щепы и мульчи, не обеспечивают долгосрочного хранения углерода, а использование биомассы для производства OSB-плит или создания энергетических плантаций связано с чрезмерными затратами, нивелирующими климатическую выгоду. Более реалистичным и экологически устойчивым решением может быть использование срезанных веток в качестве черенков для других карбоновых ферм, что обеспечивает долговременное удержание углерода при условии разработки системы мониторинга роста.

Внедрение карбоновых ферм является потенциально целесообразным направлением рекультивации полигонов, однако выбор окончательной модели их реализации должен учитывать не только климатическую эффективность и нормативные требования, но и экономические затраты, технологические ограничения, а также трудоёмкость процедур валидации и верификации климатического проекта.