Системный подход к проектированию и строительству инженерных сооружений полигонов твердых коммунальных отходов

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего образования «Пермский государственный  
аграрно-технологический университет  
имени академика Д. Н. Прянишникова» 
Т. Г. Середа, С. Н. Костарев 
 
 
 
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД  
К ПРОЕКТИРОВАНИЮ  
И СТРОИТЕЛЬСТВУ ИНЖЕНЕРНЫХ 
СООРУЖЕНИЙ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ 
КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019
1 

УДК  628.472.3 
ББК   30.69 
С32 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры техносферной безопасности  
 ФГБОУ ВО ИжГТУ имени М. Т. Калашникова И. М. Янников; 
кандидат технических наук, профессор кафедры строительных технологий  
ФГБОУ ВО «Пермская ГСХА» В. Н. Зекин 
 
 
Середа, Т. Г. 
С32  
Системный подход  к проектированию и строительству инженерных 
сооружений  полигонов твердых коммунальных отходов : монография / 
Середа Т. Г., Костарев С. Н. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2019. - 324 с. : ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-0368-9 
 
Рассмотрены технологии проектирования полигонов твердых коммунальных отходов (ТКО), даны необходимые расчетные модели. Предложена комплексная технологическая схема управления полигоном захоронения ТКО, основанная на детерминированно-вероятностном подходе к описанию и прогнозированию процессов в природно-технических системах утилизации отходов  
с использованием новых аппаратно-программных средств и математического 
моделирования. Освещены вопросы проектирования, строительства и инженерного обеспечения очистных сооружений фильтрата ТКО. 
Для специалистов, чья работа связана с проектированием, строительством 
и мониторингом состояния полигонов ТКО, а также студентов, обучающихся  
по направлениям подготовки «Строительство» и «Техносферная безопасность». 
    
 
УДК  628.472.3 
 
ББК   30.69 
 
 
 
         
 
 
ISBN 978-5-9729-0368-9 
‹ Середа Т. Г., Костарев С. Н., 2019 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ............................................................................................................................................... 
6 
Глава 1. Проектирование полигонов ТКО с учетом эмиссионных потоков веществ 
... 10 
1.1. Показатели антропогенного загрязнения окружающей среды отходами 
................... 10 
1.2. Характеристика эмиссионных потоков веществ на объектах депонирования  
ТКО ....................................................................................................................................... 15 
1.2.1. Характеристика жидкой фазы биодеструкции ТКО и перспективные  
методы проектирования очистных сооружений фильтрата ТКО .................... 20 
1.2.2. Потоки эмиссий биогаза и проектирование газовых систем полигонов  
ТКО 
.............................................................................................................................. 39 
1.2.3. Проектные решения восстановления (рекультивации) почв, загрязненных 
ТКО 
.............................................................................................................................. 45 
1.3. Технологические подходы к очистке стоков ТКО на гидробиологических  
сооружениях ........................................................................................................................ 53 
1.3.1. Инженерно-технические подходы в проектировании гидробиологических  
сооружений для очистки стоков ТКО ................................................................... 55 
1.3.2. Гидравлические расчеты гидроботанической станции ....................................... 61 
Глава 2. Системный анализ природно-технических систем утилизации отходов 
....... 65 
2.1. Проектирование полигона ТКО с учетом его жизненного цикла 
................................ 69 
2.2. Конструкционно-технологические параметры инженерного обеспечения  
полигонов ТКО ................................................................................................................... 73 
2.3. Системный подход при формализации природно-технических систем  
утилизации отходов ........................................................................................................... 77 
2.4. Научные подходы к формализации природно-технических систем утилизации  
отходов ................................................................................................................................. 87 
2.4.1. Объемно-балансовые модели ................................................................................... 87 
2.4.1.1. Объемно-балансовые эмиссионные модели ................................................... 87 
2.4.1.2. Оценочные модели воздействия типовых полигонов ТКО  
на окружающую среду 
.................................................................................. 91 
2.4.2. Модели диффузионно-конвективного переноса 
................................................... 94 
2.4.3. Модели реакторного типа ......................................................................................... 95 
2.4.4. Регрессионные модели .............................................................................................. 99 
2.4.5. Имитационные модели ............................................................................................ 100 
2.4.6. Подходы к концепции иерархической модели управления системами  
утилизации отходов почвенными методами 
...................................................... 103 
2.4.7. Подходы к созданию управленческих моделей .................................................. 105 
2.4.8. Анализ рассмотренных моделей 
............................................................................ 110 
2.5. Научное исследование процессов, протекающих на природно-технических  
системах утилизации отходов ........................................................................................ 111 
Глава 3. Принципы моделирования системы ПТО для принятия проектных  
решений 
.............................................................................................................................. 
118 
3.1. Декомпозиция системы ПТО 
............................................................................................ 118 
3.1.1. Формальная модель системы ПТО 
........................................................................ 118 
3 

3.1.2. Декомпозиция системы ПТО по процессам ........................................................ 123 
3.2. Моделирование биохимических процессов 
................................................................... 125 
3.2.1. Стадии биодеструкции отходов 
............................................................................. 125 
3.2.2. Представление системы ПТО в качестве модели анаэробного  
биореактора 
.............................................................................................................. 133 
3.3. Моделирование физических процессов в системах ПТО 
............................................ 137 
3.3.1. Моделирование процесса теплопереноса 
............................................................. 138 
3.3.2. Разработка диффузионно-фильтрационных моделей эмиссионных  
продуктов ................................................................................................................. 140 
3.4. Моделирование механических процессов 
...................................................................... 142 
3.4.1. Расчет грунтовых оснований полигонов ТКО .................................................... 142 
3.4.2. Расчет устойчивости откосов полигонов ТКО 
.................................................... 145 
3.5. Структурная декомпозиция системы ПТО по подсистемам 
....................................... 147 
3.6. Формирование критериев управления системой ПТО................................................. 149 
Глава 4. Проектирование безопасной природно-технической системы  
утилизации отходов 
...................................................................................................................... 151 
4.1. Формальная модель системы ПТО .................................................................................. 151 
4.1.1. Определение состояния системы ПТО 
................................................................. 151 
4.1.2. Разработка модели системы ПТО 
.......................................................................... 152 
4.2. Моделирование процессов возникновения и развития опасности в системе  
ПТО ..................................................................................................................................... 155 
4.2.1. Классификация состояний системы ПТО ............................................................ 155 
4.2.2. Источники опасности на природно-технических системах утилизации  
отходов 
...................................................................................................................... 157 
4.2.3. Параметры источников опасности в системах ПТО .......................................... 158 
4.3. Необходимые и достаточные условия для изменения состояния безопасности  
системы ПТО 
..................................................................................................................... 159 
4.4. Детерминированная модель оценки состояния системы ПТО 
................................... 160 
4.5. Статистическая динамическая модель параметров источников опасности  
на системах ПТО .............................................................................................................. 162 
4.6. Модель безопасного состояния системы ПТО .............................................................. 164 
4.6.1. Методика оценки безопасности системы ПТО ................................................... 164 
4.6.2. Модель системы защиты объектов системы ПТО 
.............................................. 165 
4.7. Компьютерная программная реализация модели безопасности системы  
ПТО ..................................................................................................................................... 166 
Глава 5. Разработка модели эффективного управления системами  
утилизации отходов 
...................................................................................................................... 169 
5.1. Модель активного мониторинга на полигоне ТКО ...................................................... 169 
5.2. Модель переноса фильтрата на полигоне ТКО ............................................................. 171 
5.3. Установление критерия качества управления полигоном ТКО ................................. 173 
5.4. Управление процессами на полигоне ТКО в детерминированной  
постановке 
.......................................................................................................................... 177 
5.4.1. Исследование модели водного баланса с обратными связями  
по отклонению потока и влажности от стационарного режима 
..................... 177 
5.4.2. Исследование влияния возмущений, вызванных изменением  
материальной массы и колебаниями плотности фильтрата, на поток  
и влажность массива ТКО ..................................................................................... 180 
4 

5.4.3. Исследование поведения потока фильтрата и влажности массива  
при формировании управляющего воздействия в более общем виде 
........... 183 
5.4.4. Исследование влияния возмущений на материальную среду при наличии  
интегральной составляющей в законе управления 
........................................... 185 
5.5. Статистически оптимальное управление процессами биодеструкции  
отходов на полигонах ТКО 
............................................................................................. 187 
Глава 6. Разработка практических решений по выбору конструкций  
технических средств и инженерных сооружений систем ПТО........................................ 191 
6.1. Имитационное моделирование как метод системного анализа 
.................................. 191 
6.2. Имитационная модель полигона ТКО ............................................................................ 192 
6.2.1. Постановка задачи 
.................................................................................................... 192 
6.2.2. Применение теории графов для моделирования структурных свойств  
системы ПТО ........................................................................................................... 194 
6.2.3. Алгоритм управления полигоном ТКО ................................................................ 196 
6.2.4. Реализация имитационной модели 
........................................................................ 198 
6.3. Моделирование процесса рассеивания загрязнений атмосферы ............................... 200 
6.3.1. Аналитическое решение 
.......................................................................................... 201 
6.3.2. Численное моделирование 
...................................................................................... 204 
6.3.2.1. Формирование твердотельной и сеточной модели .................................... 204 
6.3.2.2. Вариационная постановка задачи ............................................................... 208 
6.3.2.3. Моделирование процесса стационарной симуляции в ANSYS CFX-PRE .... 209 
6.4. Практические решения по выбору конструкций технических средств,  
инженерных сооружений и АСУ полигонов ТКО ..................................................... 216 
6.4.1. Разработка защитных систем от фильтрационных потоков ............................. 216 
6.4.2. Разработка проектных решений по сбору и утилизации биогаза .................... 222 
6.4.3. Разработка проектных решений по рекультивации полигона ТКО ................ 226 
6.4.4. Разработка автоматизированной системы мониторинга эмиссионных  
потоков на полигоне ТКО ..................................................................................... 230 
6.4.4.1. Описание алгоритмов 
................................................................................... 230 
6.4.4.2. Проектирование комбинационного автомата ........................................... 239 
6.4.4.3. Разработка интерфейса для оператора 
..................................................... 243 
6.5. Подходы к автоматизированным технологиям управления полигоном  
ТКО ..................................................................................................................................... 245 
6.5.1. Разработка принципиальной схемы автоматизации полигона ТКО ............... 245 
6.5.2. Подбор оборудования для мониторинга и управления  
физико-химическими параметрами в массиве отходов ................................... 248 
6.6. Разработка человеко-машинной имитационной системы ........................................... 253 
6.6.1. Описание технологической схемы ........................................................................ 253 
6.6.2. Программно-аппаратная реализация .................................................................... 255 
6.7. Оптимизация затрат на проектирование и строительство полигонов  
ТКО ..................................................................................................................................... 259 
6.8. Оптимизация экономических показателей при обосновании внедрения  
инновационных технологий управления полигоном ТКО ....................................... 265  
Заключение 
..................................................................................................................................... 268  
Список использованных источников ..................................................................................... 270  
Список сокращений ..................................................................................................................... 294  
Приложения ................................................................................................................................... 295  
 
5 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Во всем мире в больших количествах образуются твердые отходы потребления, которые необходимо утилизировать. Эта задача решается во всех 
странах с различным успехом. Так в США в среднем утилизируют около 20  
образующегося ежегодно мусора, в Японии этот показатель выше - 30-50 .  
В Германии принят закон, согласно которому фирмы-производители упаковки 
обязаны принимать до 90  ее назад и перерабатывать не менее 80  от объема 
ее ежегодного выпуска. В России в настоящее время широко распространены 
два основных способа переработки твердых коммунальных отходов - сжигание 
и биокомпостирование. Третьим, более простым и менее современным способом утилизации мусора является его захоронение на свалках и полигонах твердых коммунальных отходов (ТКО). На долю этого способа приходится в среднем 75-80  объема образующихся отходов. 
Современные полигоны ТКО - это комплексы природоохранных сооружений, предназначенные для складирования, изоляции и обезвреживания отходов, 
обеспечивающие защиту от загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных  
и грунтовых вод, препятствующие распространению грызунов, насекомых и болезнетворных микроорганизмов. Поэтому полигоны строят по проекту, выполняемому проектными организациями, в соответствии с требованиями, предъявляемыми строительными нормами и правилами. 
Проекты крупных полигонов состоят из следующих основных частей [77]: 
x гидрогеологической записки с обоснованием выбора площадки строительства; 
x технологической части (расчета вместимости, режима эксплуатации  
и т. д.); 
x генерального плана участка; 
x архитектурно-строительной части; 
x основных технико-экономических показателей; 
x сводной сметы и т. д. 
Этапы проектирования в обязательном порядке включают в себя: 
x установление необходимой вместимости полигона захоронения ТКО;  
x исследование и выбор потенциальных участков; 
x определение применимости федеральных, республиканских (областных) и местных требований к конкретному участку; 
x определение местных технических возможностей в обеспечении потребности полигона в энергии и материалах; 
x рассмотрение возможных направлений последующего использования 
участка после рекультивации [403].  
Кроме того, для предотвращения негативного воздействия на окружающую 
среду рекомендуются природоохранные мероприятия и инженерные решения,  
6 

Введение 
которые обязательно разрабатывают в проектах. К ним относятся санитарнозащитная зона и противофильтрационный экран.  
К санитарно-защитной зоне относится территория, отделяющая жилую застройку от территории, занятой отходами. При этом руководствуются размером 
санитарно-защитной зоны, которая должна быть не менее чем 500 м от жилой 
застройки до границ полигона [234] и гидрологическими условиями.  
Противофильтрационный экран представляет собой слои глины или геосинтетические мембраны, предназначенные для сбора фильтрата, его откачки и предотвращения попадания в грунтовые воды. Под фильтратом понимают жидкость, которая прошла через твердые отходы или появилась из них  
и содержит растворимые, взвешенные или осажденные материалы, выделенные из захороненных отходов. 
Проектирование полигона проводят в соответствии с техническим заданием заказчика, инструкцией по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов (АКХ им. К. Д. Памфилова. - М., 
1996 [77]), СанПиН 2.1.7.1322-03 «Гигиенические требования к размещению  
и обезвреживанию отходов производства и потребления» [232], Федеральным 
законом от 24.06.1998 (ред. от 30.12.2008 № 309-ФЗ) № 89-ФЗ «Об отходах 
производства и потребления», ГОСТ 30772-2001 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Термины и определения», СП 2.1.7.1038-01 «Гигиенические 
требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов» [234]; СанПиН 2.1.5.980-00. «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» [230].  
В ходе проектных работ используются топографические и тематические 
картографические материалы, литературные и фондовые источники информации, интернет-ресурсы, результаты натурного обследования территории, лабораторные исследования.  
Наибольший ущерб для окружающей среды наносит образующийся фильтрат. В связи с этим в рамках проекта полигона ТКО выполняются проектные работы по обезвреживанию фильтрата. Основные виды работ в проекте по обезвреживанию фильтрата: 
x инженерно-экологические изыскания для оценки влияния климатогеографических и гидрогеологических условий на объём и состав образующегося фильтрата;  
x лабораторные исследования по обоснованию оптимальных режимов 
обезвреживания и фильтрата;  
x расчётные работы с использованием программных комплексов АРМ 
ТБО, в частности авторами предлагается использовать программный 
комплекс «Управление жизненным циклом полигона твердых бытовых отходов (АРМ ТБО)» (свидетельство регистрации программы для 
ЭВМ 2009612494. - ФИПС, 2009);  
x расчёты по подбору доз реагентов в зависимости от технологии и производительности оборудования;  
7 

Системный подход к проектированию и строительству полигонов ТКО 
x технико-экономическое обоснование предложенных решений по подбору оборудования и реагентов;  
x разработка рекомендаций по экологическому мониторингу с применением КИПиА и др. 
Краткая характеристика проектируемого полигона включает в себя следующую информацию:  
x площадь земельного участка с кадастровым номером отведенного под 
строительство полигона ТКО и его удаленность от населенного пункта;  
x состав почвы;  
x уровень подземных вод (УПВ) и прогнозное поднятие УПВ;  
x проектируемую глубину котлована;  
x проектную высоту полигона;  
x планируемую производственную площадь полигона;  
x проектный срок эксплуатации полигона.  
Если проектная высота полигона ТКО не менее 20 м, а нагрузка на использованную площадь превышает 10 т/м2, то такой полигон считается высоконагружаемым. 
В графической части выполняются схема расположения земельного участка 
в заданном масштабе (М 1:10 000), схема разрезов полигона и схема генплана полигона в соответствии с выбранной технологией. 
На выбранном под полигон участке выполняется топографическая съемка, геологические и гидрогеологические изыскания.  
Основные элементы полигона ² это подъездная дорога, участок складирования ТКО, хозяйственная зона, инженерные сооружения и коммуникации.  
Проект выполняется так, чтобы участок складирования ТБО (участок захоронения отходов, УЗО) занимал до 95  площади. Его разбивают на несколько 
очередей эксплуатации с учетом приема отходов в течение 3-5 лет. Заполняют 
каждую очередь по высоте поярусно. Высоту каждого яруса принимают равной  
2-2,5 м, включая толщину слоя изоляции отходов минеральным грунтом. 
УЗО должны быть защищены от стока поверхностных вод, поступающих  
с вышерасположенных земельных массивов. Для перехвата дождевых и паводковых вод вокруг полигона проектируют водоотводную канаву. На расстоянии 1-2 м  
от водоотводной канавы устраивают ограждение вокруг полигона. Также по периметру полигона на полосе 5-8 м высаживают древесно-кустарниковую растительность, прокладывают инженерные коммуникации (водопровод, канализацию), 
устанавливают мачты электроосвещения, отсыпают минеральный грунт для использования его на изоляцию ТКО [77]. 
Хозяйственная зона проектируется на пересечении подъездной дороги  
с границей полигона, что обеспечивает возможность эксплуатации зоны на любой стадии заполнения полигона ТКО. В хозяйственной зоне проектируются 
бытовые и производственные здания и сооружения:  
x административно-бытовой корпус с контрольно-пропускным пунктом;  
x гараж;  
8 

Введение 
x площадка с навесом для стоянки спецтехники на определенное количество машино-мест;  
x склад для хранения спецодежды, хозинвентаря, материалов;  
x трансформаторная подстанция;  
x пожарный резервуар с рассчитанной емкостью;  
x автомобильные весы с навесом;  
x площадка для дезинфекции мусоровозов (дезбарьер);  
x септик для приема хозяйственно-бытовых стоков от административнобытового корпуса и др. 
На участках с конфигурацией, близкой к квадрату, хозяйственную зону 
можно проектировать у последней очереди складирования ТБО. На участках 
вытянутой формы хозяйств зона размещается посередине длинной стороны. 
Хозяйственная зона занимает значительно меньшую часть от общей площади. 
На выезде из полигона проектируют контрольно-дезинфицирующую зону 
для дезинфекции колес мусоровозов.  
Расчетный расход талых вод на проектируемом полигоне ТКО может 
быть определен по слою стока за часы снеготаяния в течение суток согласно 
Временным рекомендациям ВНИИ ВОДГЕО.  
Размещают полигоны за пределами городов и населенных пунктов. Перед 
проектированием заказчик с заинтересованными организациями (архитектурно-планировочным управлением, отделом по делам строительства и архитектуры, органами экологии и санэпиднадзора и гидрологической службой и др.) 
определяют район, в котором подбирают участок для размещения полигона.  
По гидрологическим условиям благоприятными считают участки с отложениями глины и суглинков и залеганием уровня грунтовых вод на глубине более 2 м. 
Нельзя использовать под полигоны болота глубиной более 1 м и участки с выходом грунтовых вод на поверхность в виде ключей, территории, затопляемые 
водами, районы геологических разломов, а также участки, расположенные ближе 15 км от аэропортов. Под полигоны отводят отработанные карьеры глин, 
участки в лесных массивах, овраги, свободные от ценных пород деревьев [403]. 
При отводе участка выдают рекомендации по использованию нарушенной 
территории после закрытия полигона с учетом дальнейшего ее использования. 
Капитальное строительство на участках складирования ТБО запрещено 
из-за выделения ядовитых и взрывоопасных газов в течение длительного времени (свыше 40 лет после закрытия полигона) [404]. 
При проектировании и строительстве современных полигонов твердых 
коммунальных отходов необходим системный подход к рассматриваемому объекту. В данной монографии при проектировании полигона ТКО он будет рассмотрен как природно-техническая система утилизации отходов - Природа - 
Техника - Отходы (система ПТО), и будет представлено научное исследование 
процессов, протекающих в системе ПТО. Отзывы на монографию можно прислать по адресам: iums#dom.raid.ru, stg41#mail.ru.  
 
9 

 
 
ГЛАВА 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛИГОНОВ ТКО  
С УЧЕТОМ ЭМИССИОННЫХ ПОТОКОВ ВЕЩЕСТВ 
1.1. Показатели антропогенного загрязнения  
окружающей среды отходами 
В настоящее время свидетельством загрязнения окружающей среды является огромное количество отходов, которые образуются в процессе жизнедеятельности населения и на стадии создания материальных продуктов за счет 
остатков сырья, полуфабрикатов и т. д. Кроме этого в результате антропогенного воздействия в атмосферный воздух и водоемы поступают загрязняющие 
вещества с бытовыми и технологическими выбросами и сточными водами (газообразные и жидкие отходы). В процессе эксплуатации изделий возникают 
отходы потребления (тара, расходуемые материалы, запасные части и т. п.). 
Изделия, утратившие свои потребительские свойства, превращаются в мусор 
или твердые бытовые отходы (ТКО). В крупных городах, где хозяйственная 
деятельность наиболее сконцентрирована и где на ограниченной территории 
сосредоточена значительная численность населения, происходит наиболее  
интенсивное накопление ТКО, которые при неправильном и несвоевременном 
удалении и обезвреживании представляют угрозу окружающей природной 
среде. 
Только в Пермском крае на учете находятся более 400 свалок общей площадью свыше 2 000 га. Из них только 160 свалок и ведомственных полигонов складирования отходов разрешены органами природы и администрациями территорий 
области. Примерно 240 свалок в области являются несанкционированными.  
В большинстве случаев санитарное состояние свалок неудовлетворительное, отмечаются серьезные нарушения действующих нормативных документов по безопасному размещению отходов, что наносит непоправимый ущерб окружающей 
среде. При сложившейся ситуации в городе Перми без внедрения промышленной 
переработки твердых бытовых отходов (ТКО) существует опасность «обрастания» 
города в течение 25-35 лет десятками «могильников» [189]. 
Обезвреживание отходов - комплекс дорогостоящих мероприятий. Поэтому в последнее десятилетие, особенно после ужесточения экологических норм  
в развитых промышленных странах, бурно расцвёл бизнес, основанный на экспорте токсичных отходов. Между тем проблема утилизации собственных отходов в России стоит очень остро. 
10