Способ захоронения токсичных промышленных отходов

 

Использование: в процессах защиты окружающей среды от токсичных промышленных отходов при их захоронении. Сущность изобретения: способ предусматривает формирование из отходов отвала за счет укладки и уплотнения водонепроницаемого экрана, послойной укладки и уплотнения отходов, перекрытия последних вторым водонепроницаемым экраном. Формирование отвала производят выше уровня окружающей среды на почвенно-растительный грунт, на который укладывают слой грубообломочного материала. В качестве водонепроницаемого экрана используют моренные суглинки и глины, в состав которых вводят легко растворимые соединения, обеспечивающие обмен двухвалентных катионов на одновалентные. 2 ил.

Изобретение относится к способам захоронения токсичных промышленных отходов.

Известен способ захоронения отходов, заключающийся в бурении скважин, в каждую из которых засыпают некоторое количество отходов. Эту массу уплотняют вибрацией или прессованием, после чего засыпают очередную порцию отходов и повторяют процесс уплотнения. После заполнения выработки ее устьевую часть заполняют плодородным слоем почвы. Для повышения стабильности и безопасности хранения отходов выработки бурят на расстояниях, обеспечивающих их отделение друг от друга достаточно большой массой грунта.

Недостатком этого способа является высокая вероятность загрязнения природной среды вследствие фильтрации подземных вод через полости скважин с захороненными отходами и необходимость использования значительных по площади территорий, отвечающих определенным требованиям к геологическому строению и гидрогеологическим условиям.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ захоронения отходов в естественных углублениях рельефа (балках, оврагах, котлованах и т. п. ), включающий снятие с бортов и дна выбранного участка почвенно-растительного слоя, послойную укладку и уплотнение глин мощностью 2,5 3,0 м, послойную укладку и уплотнение захороняемых отходов, перекрытие последних толщей глин по такой же технологии и укладку плодородного слоя для рекультивации нарушенной площади.

Однако этот способ имеет ряд недостатков: область его применения ограничивается не только наличием определенных форм рельефа, но и тем, что овраги и балки являются элементами гидросистемы и, следовательно, размещаются в охранной зоне рек; нижний экран из глин представляется недостаточно надежным для предотвращения загрязнения окружающей среды водорастворимыми соединениями токсичных отходов, т. к. высота капиллярного поднятия в порах глин составляет 3,5 4 м от уровня грунтовых вод; применение способа связано со значительными затратами на транспортировку глин, т. к. месторождения этого вида ценного минерального сырья не имеют широкого развития.

Целью изобретения является защита окружающей среды от загрязнения токсичными промышленными отходами при их захоронении.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе захоронения отходов, включающем формирование отвала отходов путем укладки и уплотнения водонепроницаемого экрана, послойной укладки и уплотнения отходов, перекрытия последних вторым водонепроницаемым экраном, формирование отвала отходов производят выше уровня окружающей местности на почвенно-растительный грунт, на который укладывают слой грубообломочного материала, а в качестве водонепроницаемого экрана используют моренные суглинки и глины, в состав которых вводят легко растворимые соединения, обеспечивающие обмен двухвалентных катионов на одновалентные.

Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что формирование отвала отходов производят на почвенно-растительный грунт, на который укладывается слой грубообломочного материала, а в качестве водонепроницаемого экрана используют моренные суглинки и глины, в состав которых вводят легко растворимые соединения, обеспечивающие обмен двухвалентных катионов на одновалентные. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны технические решения, позволяющие производить захоронение отходов. Однако захоронение отходов производят или в пробуренной скважине, или в естественных углублениях рельефа, но во всех известных решениях снимают почвенно-растительный слой в основании отвала. В предлагаемом способе сохраняется почвенно-растительный слой в основании отвала, который служит естественным геохимическим барьером, обеспечивая защиту геологической среды, а следовательно, формирование отвала производят выше окружающей среды. Этот признак в совокупности с другими вышеуказанными признаками позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "существенные отличия".

Слой грубообломочного материала мощностью, например, 0,6 м предотвращает движение капиллярных вод и водных паров между грунтами основания отвала и насыпными, а кроме того, защемленный в порах этого слоя воздух выполняет роль теплоизолятора, смягчающего изменения сезонных температур, а следовательно, и интенсивность движения водяных паров как вверх зимой, так и вниз летом. Это, в свою очередь, позволяет не ограничивать выбор участка из-за высокого залегания уровня грунтовых вод, что является характерной особенностью территории развития ледниковых отложений.

Использование моренных глинистых грунтов в качестве водонепроницаемых обосновывается разнородностью их гранулометрического состава и низкими фильтрационными свойствами (менее 0,05 м в сутки). Эта особенность грунтов обеспечивает им хорошую уплотняемость в тугопластичном и полутвердом состоянии и устойчивость в откосах. Первое преимущество моренных грунтов достаточно широко используется в гидростроительстве при устройстве плотин, дамб, противофильтрационных экранов и т. д. Разнородность состава, обеспечивая высокие значения удельного сцепления в грунтах, исключает их пучинистость при промерзании и разрушение структурных связей при воздействии текучих вод.

При введении в состав моренных суглинков и глин концентрированного раствора каменной соли повышается сорбционная способность глинистых частиц. Моренные суглинки и глины, являясь разнородными по вещественному составу грунтами, содержат обломки разных пород, в том числе и карбонатных, что обусловливает образование двухвалентных катионов кальция и магния в водных растворах, окружающих минеральные частицы. Известно, что глинистые частицы способны сорбировать на своей поверхности не только молекулы воды, но и поглощать ионы из окружающих растворов. Известно, что такие поглощенные ионы способны к обмену с другими ионами растворов, т. е. являются обменными. Так, катион натрия заменяет ранее поглощенный кальций, что приводит к повышению сорбционной способности частиц, т. к. в присутствии одновалентного катиона натрия, при прочих равных условиях, частицы связывают существенно большее количество молекул воды, чем в присутствии катионов двухвалентного кальция и магния. Таким образом, катион натрия как бы усиливает влияние глинистых частиц на свойства пород, а двухвалентные катионы, наоборот, это влияние уменьшают. Иными словами, замена в глинистых грунтах двухвалентных обменных катионов катионами натрия эквивалентна по своему влиянию на свойства грунтов увеличению содержания в них глинистых частиц. Практика подтверждает эффективность такого воздействия на глинистые грунты, которая характеризуется снижением фильтрующей способности в десятки раз, что и обосновало возможность замены ценного минерального сырья на более распространенные моренные грунты, тем более что их большая устойчивость в откосах позволяет увеличить высоту отвалов, а следовательно, и объем захороняемых отходов.

Емкость поглощения катионов натрия частицами грунта зависит от минерального вида глин и учитывается при расчете необходимого количества соли, исходя из известных величин емкости поглощения на 100 г сухого вещества: 3 - 15 мг-экв. для каолита, 10 40 мг-экв. для иллита, 80 150 мг-экв. для монтмориллонита. Необходимо отметить, что введение каменной соли в состав грунта уменьшает глубину сезонного промерзания, т. е. стабилизирует температурно-влажностной режим хранения отходов.

На фиг. 1 представлена схема захоронения токсичных промышленных отходов в плане в масштабе 1:200; на фиг. 2 дан разрез А А на фиг. 1, где 1 - почвенно-растительный слой; 2 суглинок моренный т/пластичный; 3 супесь пластичная; 4 грубообломочный материал; 5 насыпной грунт суглинок; 6 токсичные отходы; 7 траншея; 8 въезд.

Разработка моренных суглинков и глин траншеями 7 по периметру строящегося отвала, кроме удешевления работ за счет исключения затрат на погрузку, транспортировку и разгрузку, имеет и другой замысел. Суть его заключается как в предохранении участков с захоронениями от случайных воздействий, так и в обеспечении возможности выполнения контрольных исследований за состоянием геологической среды, оперативного выявления конкретных участков проникновения токсичных веществ. Учитывая, что неглубокое залегание моренных суглинков и глин характерно для обширных территорий, наиболее обоснованным представляется выбор участков с глубиной их залегания до 2 м, т. к. при глубине траншеи до 3 метров объем необходимого грунта определяется простым расчетом и корректируется за счет изменения ширины траншей. Непригодные для применения по прямому назначению грунты предусматривается либо складировать (почвенно-растительный слой) для последующей укладки на поверхность отвала, либо размещать по внешней стороне траншеи в виде ограждающего вала (супеси, пески, мягкопластичные суглинки).

Сохранение перемычки между участком и окружающей местностью шириной до 10 м (въезд 8) предусматривается для обеспечения доставки токсичных отходов к месту захоронения и обратной транспортировки в случае разработки технологии их утилизации.

Пример. В связи с железнодорожной аварией в Тверской области на станции "Кулицкая" Октябрьской дороги в октябре 1990 г. произошло разрушение двух цистерн, заполненных смесью бензола с толуолом. Общая масса загрязненного грунта составила около 500 тонн. Захоронение загрязненного грунта было организовано в окрестностях станции. С этой целью проведены поисковые работы по выявлению наиболее благоприятных геоморфологических условий. Выбранный участок характеризовался плоским рельефом, удаленностью от дороги, высоким залеганием моренных суглинков и глубиной грунтовых вод в 2,0 2,2 м с уклоном в сторону слабого понижения рельефа.

После выполнения лабораторных исследований образцов суглинка были определены его физико-механические свойства и с учетом предлагаемой конструкции отвала, а также с учетом удельных затрат сырья для захоронения 1 т отходов были определены общий объем земляных работ, периметр траншеи 7 и ее параметры (см. фиг. 1 и фиг. 2) следующим образом. Зная количество захороняемых отходов (500 т) и насыпную массу (1,9 т/м³), определили параметр захоронения объема отходов ≈270 м³ равными 2 х 7 х 20 м (высота, ширина, длина). Учитывая, что мощность защитного слоя должна быть не менее 2 м, а угол откоса отвала при его послойном формировании и уплотнении не менее 65^o, определили, что общий объем необходимого количества суглинков 5 составит 1560 м³. Определили объем грунта, необходимого для отсыпки подъезда к отвалу, исходя из того, что ширина его равна 5,5 м, длина 22 м. Это составит 180 м³. Далее был определен объем грубообломочного грунта 4 в основании отвала при высоте этого слоя 0,6 м и площади 9 х 22 м (ширина и длина принимаются с учетом перекрытия проекции площади захороняемых отходов 2 не менее чем на 1 м в любую сторону), равным 121 м³. Закрепление на местности контуров траншеи 7 производилось при определении длины траншеи, проходка которой должна обеспечить добычу суглинков 5 в объеме 1560 м³. Принимая в конкретных геологических условиях полезное сечение траншеи равным 12 м³, получили, что протяженность траншеи составит 130 м. Форма ее в плане принимается в виде прямоугольника длиной, равной 42 м и шириной 28 м (с разрывом для подъезда одной из сторон на 10 м). После разметки траншеи 7 приступили к ее строительству. Была произведена срезка почвенно-растительного слоя по периметру траншеи 7. Срезанный слой был складирован в удобных местах во внутреннем контуре участка. Затем приступили к углублению траншеи 7, для чего с помощью экскаватора был снят слой серовато-коричневой пластичной супеси 5 мощностью 0,6 0,7 м и равномерно размещен на внешней стороне траншеи на расстоянии 0,4 0,5 м от ее кромки в виде ограждающего вала высотой до 0,9 1,0 м (на схеме не показано). Залегающие ниже моренные суглинки тугопластичной и полутвердой консистенции 2 также разрабатывались экскаватором, но интенсивность их добычи была поставлена в зависимость от порядка выполненных работ по строительству отвала. После отсыпки суглинков по контуру основания отвала внутренняя площадь отвала была заполнена грубообломочным грунтом 4 (шлак, битый кирпич) мощностью 0,6 м и произведено уплотнение грунтов бульдозером на гусеничном ходу (массой 10 11 т). Укладка и уплотнение нижней толщи водонепроницаемых грунтов 5 (см. фиг. 2) мощностью 2,0 м выполнялась слоями по 0,25 0,3 м с числом проходок бульдозером в пределах 10 11 раз. Каменная соль вносилась перед укладкой каждого слоя суглинка в расчете 0,9 кг на 1 т грунта. Это количество было определено после установления содержания глинистых частиц в грунте (в процентах) и преобладающего глинистого минерала (иллита). Затем с учетом емкости поглощения иллита, принятой равной 25 мг-экв. на 100 г и величины грамм-эквивалента натрий-катиона было установлено необходимое количество соли для всей массы глинистого грунта, что составило 1,8 тонны. Укладка и уплотнение отходов 6 проводились более мощными слоями до высоты 5,0 м. Верхняя часть отвала возводилась до проектной отметки путем перемещения суглинка, сгружаемого на подъездной путь к отвалу с помощью бульдозера. По окончании уплотнения последнего слоя грунта 5 бульдозером была выполнена подрезка поверхности отвала с целью придания ей выпуклой формы, исключающей скопление дождевых и талых вод. Работы завершились отсыпкой и уплотнением почвенно-растительного грунта, а посев трав намечен на весну, как и посадка кустарника по периметру подножья отвала.

В целом гряда отвала была построена с учетом розы ветров данной местности (21^o CB). Такая ориентировка не противоречила равенству солнечного прогрева его склонов.

Отбор проб воды из траншеи и грунта из бортов планируется выполнить в начале лета, когда движение водных паров будет направлено в недра, т. е. в сторону низких температур.

Предлагаемое техническое решение позволяет изменить установившееся отношение к захоронениям, суть которых состоит либо в заложении их в недра, либо в заполнении ими естественных углублений до уровня окружающей территории (см. аналоги и прототип). В любом из этих решений захоронения отходов в той или иной степени подвергаются воздействию грунтовых вод через трещины пород или капилляры и, следовательно, опасность распространения токсичных соединений представляется достаточно реальной. Из-за стремления "спрятать" токсичные отходы в недра возникают сложности их гидроизоляции, которую практически обеспечить невозможно.

Таким образом, по сравнению с известными решениями предлагаемое отличается тем, что захоронение отходов производят выше уровня окружающей местности, вследствие чего происходит разрыв воздействия капиллярных вод верхнего водоносного горизонта прослоем грубообломочного материала, более всего достижению поставленной цели способствуют моренные суглинки и глины с их прочными структурными связями. В отличие от локально залегающих глин - тонкодисперсных, однородных, неогеновых (см. прототип) моренные грунты обладают устойчивостью в откосах, не подвергаются морозному пучению и широко распространены на огромных территориях нашей страны и других регионов. Принимая во внимание совокупность этих эффектов, представляется реальным переломом в существующем стремлении руководителей производства снизить количество и уровень токсичности отходов, в сторону принятия решений об использовании этого способа захоронения. Дополнительно к этому предлагаемый способ захоронения может представить интерес для других стран с подобными условиями геологического строения.

Формула изобретения

Способ захоронения токсичных промышленных отходов, включающий последовательную укладку и уплотнение водонепроницаемого экрана и отходов и покрытие последних водонепроницаемым экраном, отличающийся тем, что, с целью защиты окружающей среды от загрязнения, укладку водонепроницаемого экрана осуществляют на почвенно-растительный грунт и дополнительно на него укладывают слой грубоблочного материала, причем в качестве водонепроницаемого экрана используют мореные суглинки и глины, в состав которых вводят легкорастворимые соединения, обеспечивающие обмен двухвалентных катионов на одновалентные.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2