Источником долговременного негативного влияния на окружающую среду являются природно-технические системы утилизации отходов (системы «Природа–Техника–Отходы» (ПТО)) [5] – полигоны и свалки твёрдых бытовых отходов (ТБО). Несмотря на то, что полигоны (свалки) ТБО имеют ограниченный эксплуатационный период (в среднем 30 лет), после его закрытия и рекультивации полный жизненный цикл (ЖЦ) данной природно-технической системы продолжается тысячи лет, в течение которых будут выделяться опасные для окружающей среды эмиссионные продукты.
Поэтому актуальна формализация обобщенных моделей управления процессами на системах ПТО на основе анализа материально-энергетических и информационных потоков и разработка алгоритмов структурно-параметрического синтеза и автоматического регулирования для создания автоматизированной системы мониторинга и управления системами ПТО.
Целью представленной работы являлось выяснение механизмов идентификации состояний природно-технических систем утилизации отходов и разработка автоматизированной системы мониторинга и управления процессами на полигонах ТБО.
Материал и методы исследования
При обосновании методов и алгоритмов управления объектами депонирования отходов использовались методы системного анализа, общей теории систем, теории автоматического регулирования, методов математического и имитационного моделирования. Объектом исследований являлись материально-энергетические и информационные потоки, протекающие на объектах утилизации отходов, рассматриваемые как объекты моделирования и управления. Материалом исследования являлись твёрдые бытовые отходы.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ исследований, проводимых в период с 1970 по 2000 гг. [13, 15], показал, что наиболее эффективными процедурами управления процессами на «старых» (закрытых) полигонах является рециркуляция фильтрата – принцип «Flushing Bioreactors» (J. Pacey, 1999) и/или целенаправленное проветривание тела полигона (Belüftung) (K. Heyer, 2000).
При биодеструкции ТБО на объектах их депонирования образуется жидкая, газообразная и твёрдая фаза. По мнению многих авторов [1, 3, 13, 15], наиболее опасным продуктом биодеструкции отходов является жидкая фаза – фильтрат. В литературе часто классифицируют фильтрат, изменяющийся со временем на «молодой», имеющий повышенные концентрации ионов тяжёлых металлов и органических загрязнений (рН < 6,5, БПК5/ХПК = 15000/21000 мг О2/л, SO42– 500 мг/л, Pb2+ 0,5 мг/л), наиболее опасный для окружающей среды, образующийся в кислотной стадии, и «старый» (рН > 7,5, БПК5/ХПК = 200/2000 мг О2/л, SO42– 20 мг/л, Pb2+ 0,05 мг/л), образующийся в период перехода процессов на полигоне в метановую стадию [11, 13, 15]. В промежуточной стадии фильтрат можно характеризовать как «средний».
Конкретной фундаментальной задачей в рамках заявленной проблемы являлась идентификация и управление состоянием природно-технических систем утилизации отходов.
В рамках представленной работы проведены исследования физико-химических свойств массива отходов: определение объемного веса, морфологического и фракционного состава и влажности твердых бытовых отходов по методикам, описанным в работах [13, 15].
Для определения оптимальных параметров биодеструкции массива отходов проведены лабораторные исследования по выявлению обобщающих закономерностей и определению оптимальных параметров биодеструкции отходов определённого морфологического состава с последовательным анализом продуктов биодеструкции отходов – фильтрата и биогаза [11, 13]. Оценка управляемых факторов в массиве отходов производилась по таким параметрам, как влажность отходов – ω и активная реакция среды – рН.
При исследовании термодинамических функций состояния, динамики газообразной и жидкой фазы (фильтрата) и процессов тепло- и массопереноса в массиве отходов в качестве исследуемых характеристик использованы: давление (Р), коэффициенты влагопроводности (K), влажность массива твёрдых бытовых отходов (ТБО) (w) и температура (Т) [7]:
где S – площадь удельной поверхности твердых частиц в массиве ТБО; h – вязкость жидкости в массиве ТБО; s – поверхностное натяжение жидкости.
Для описания процессов на эксплуатируемых полигонах ТБО исследованы критерии, характеризующие отношение сил инерции, обусловленных скоростью потока жидкости, к силам вязкости, а также пространственную структуру нестационарного течения фильтрата в массиве отходов. Для описания процессов в массиве отходов на рекультивированных полигонах ТБО исследован критерий, характеризующий соотношение между силами инерции и гравитации при динамике потока фильтрата в массиве ТБО. Для изучения влияния управляемых факторов на скорость эмиссионных процессов и определения основных физико-химических параметров процесса были проведены полнофакторные лабораторные эксперименты с использованием метода математического планирования эксперимента. В качестве функций отклика выступали эмиссионные потоки жидкой фазы (фильтрата) и газовой фазы (биогаза) [3, 7].
Разработка модели эффективного управления системами ПТО
На основе уточнения и обоснования факторов, влияющих на протекание процессов биодеструкции отходов разработана модель эффективного управления системами ПТО. Данная модель будет выполнять роль контура управления процессами на полигоне ТБО, способствующего ускорению процессов биодеструкции ТБО и тем самым уменьшению экологической нагрузки на окружающую природную среду. Использованы методы теории автоматического регулирования, обобщенная структурная схема распределенного управления полигоном ТБО, описываемая функцией Грина G(x, ξ, t, τ) (рис. 1) [4, 6, 7].
Разработка программно-аппаратного комплекса для решения задач мониторинга и эффективного управления природно-техническими системами утилизации отходов
Для принятия эффективных решений по созданию более безопасной и наиболее удовлетворяющей санитарным и экологическим нормам системы ПТО разработано специальное программное обеспечение. Методологические подходы к проектированию автоматизированных систем обработки информации на полигонах ТБО основаны на системном и частном проектировании, включающем структурную схему этапов проектирования (мониторинга) и эксплуатации полигона ТБО и программный инструментарий конструктора-проектировщика полигона ТБО – «АРМ ТБО» [6, 8, 10, 12].
Рис. 1. Обобщенная структурная схема распределенного управления полигоном ТБО: ω0(ξ, τ) – заданное состояние влажности в массиве отходов; ω(x, t) – отклонение распределенного выхода от заданного состояния; 
– распределенное управляющее воздействие; 
– внешние возмущения; 
– стандартизирующая функция
Данная система включает в себя модуль «АРМ оценки безопасности полигона ТБО» предназначенный для оценки безопасности, как на этапе проектирования, так и на этапах эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО. Полигон ТБО рассматривается как система ПТО, включающая в себя такие элементы, как W – множество элементов поступающих отходов; G – множество элементов продуктов биодеструкции; E – множество элементов окружающей среды, H – множество элементов инженерных сооружений (рис. 2).
Рис. 2. Модель системы ПТО:
– множество элементов поступающих отходов;
– множество элементов продуктов биодеструкции;
– множество элементов окружающей среды; 
– множество элементов инженерных сооружений
Система ПТО – сложная механическая, физическая, биологическая и химическая система, для которой факторы источников опасностей, согласно [2], можно разделить на несколько групп: механические факторы: движение грунта (уплотнение, эрозия почв, оползни, осыпание откосов полигона); физические факторы: процессы тепло-, массопереноса (образование и миграция фильтрата, образование и миграция биогаза, распределение тепловых полей); химические факторы: связаны в основном с морфологическим составом отходов и образующимися эмиссионными продуктами. Приводят к протеканию экзотермических реакций. Способствуют образованию канцерогенных, общетоксических и мутагенных веществ и образованию парниковых газов, регламентированных Киотским протоколом; биологические факторы (патогенные микроорганизмы, бактерии, вирусы, которые могут попадать в окружающую природную среду и объекты жизнедеятельности населения).
В зависимости от уровня и взаимовлияния вышеперечисленных факторов система ПТО находится в определенном состоянии: безопасном или опасном, которое может перейти к чрезвычайному событию (утечка фильтрата, выброс биогаза, возгорание, взрыв и т.п.).
Для возникновения происшествий элементы системы утилизации отходов: H, W и G – соответственно элементы массивов технических средств и инженерных сооружений, поступающих отходов и продуктов биодеструкции отходов, должны обладать свойствами, опасными для множества элементов окружающей среды – Е.
Для описания динамического состояния системы в качестве модели случайных процессов целесообразно использовать полумарковские процессы, характеризующиеся произвольными функциями распределения вероятностей pi времени пребывания в i состоянии [14]. Переход системы из состояния сi в состояние сj осуществляется под воздействием потока событий с вероятностью перехода λij. Определение вероятности pi(t) состояния системы с1, с2, …, сn определяется решением системы уравнений Колмогорова [6].
с начальными условиями p1(0), p2(0), …, pn(0); pi(0) ≥ 0, 
и условием нормировки 
Программная реализация предложенной методики оценки безопасности системы ПТО представлена в виде диаграммы IDEF функционально-объектной модели. В оценке состояния системы ПТО будут принимать участие квалифицированные специалисты, вводящие в систему массив данных параметров источников опасности и их допустимых значений с их последующей автоматизированной обработкой, вычислением показателей безопасности и выдачей конкретных рекомендаций по обеспечению безопасности системы ПТО (рис. 3) [5, 9].
Рис. 3. Функционально-объектная модель принятия решений по повышению безопасности системы ПТО
Заключение
Применение методов системного анализа и кибернетики в управлении системами ПТО открывает возможность исследования и организации безопасного функционирования объекта депонирования ТБО в условиях, когда информация последовательно накапливается и реализуется в виде алгоритмов для ЭВМ. В этом случае управляющие действия будут направлены на минимизацию жизненного цикла природно-технических систем утилизации отходов, что имеет важное значение. Внедрение автоматизированного рабочего места конструктора-проектировщика полигона ТБО уже на этапе проектирования позволит ускорить выполнение проектной документации и повысить безопасность эксплуатации природно-технической системы депонирования отходов на этапах её эксплуатации и рекультивации.
Рецензенты:
Файзрахманов Р.А., д.э.н., профессор кафедры АУВ Пермского военного института внутренних войск МВД России, г. Пермь;
Шварц К.Г., д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры прикладной математики и информатики Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 11.04.2013.