Способ локализации загрязнений в водоносных горизонтах

 

Изобретение относится к охране земных недр, в частности водоносных горизонтов от загрязнений, и может быть использовано в горном деле, строительстве подземных хранилищ промышленных отходов, при водозаборе подземных вод и др. Водоносный горизонт в зоне локализации загрязнений до их поступления заполняют десорбирующим эти загрязнения раствором. В результате повышается сорбционная способность пород, вмещающих водоносный горизонт. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при строительстве подземных хранилищ жидких промышленных отходов, проектирования и строительстве хвостохранилищ различных горноперерабатывающих предприятий, строительстве водозаборов подземных вод и других случаях, требующих проведения водоохранных мероприятий.

Наиболее близким к заявленному является способ, включающий ограничение движения загрязняющих растворов путем сорбции загрязнений, на породах зоны локализации. Основным недостатком известного способа является низкая надежность задержки загрязнений из-за естественной убыли фосфатов из зоны захоронения за счет их растворения и выноса естественным потоком подземных вод.

Известен способ локализации загрязнений в водоносных горизонтах путем ограничения их продвижения по водоносному горизонту и задержки в зоне локализации. Способ заключается в нагнетании в водоносный горизонт в зону локализации через скважины различных растворов для создания гидро, цементационных, глинистых, силикатных или других завес, преграждающих дальнейшее перемещение загрязнений по водоносному горизонту [2] Способ также не обеспечивает надежной локализации загрязнений в зоне локализации, так как с течением времени происходит перенаполнение зоны локализации загрязненными водами и обтекание ими завес или выход их на поверхность земли.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа локализации загрязнений в водоносных горизонтах с высокой степенью надежности задержки загрязнений в зоне локализации и исключение их дальнейшего перемещения по водоносному горизонту.

Задача решается за счет повышения сорбционно-емкостных свойств вмещающих пород водоносного горизонта в зоне локализации загрязнений.

Заявленный способ предусматривает заполнение водоносного горизонта в зоне локализации загрязнений десорбирующим раствором до поступления в нее загрязненных подземных вод. При этом десорбирующий раствор готовят из воды этого же водоносного горизонта или какого-либо другого источника с добавками, зависящими от состава загрязняющего раствора. В частности, при необходимости защиты подземных вод от тяжелых металлов (например, меди, свинца, радиоактивных цезия, стронция и других металлов), находящихся в загрязняющем растворе, добавками могут быть различные кислоты и в том числе углекислый газ, образующий в воде при растворении угольную кислоту. Для сокращения затрат на приготовление десорбирующего раствора на основе углекислоты в качестве источника углекислого газа может быть использован дымовый газ, легко получаемый как продукт горения различных органических энергоносителей. При необходимости же защиты подземных вод от токсичных анионов (например, хлора, сульфатов, нитратов и других анионов) добавками в десорбирующий раствор могут быть различные щелочи, в том числе аммиак. После воды в зону возможного загрязнения после заполнения ее десорбирующим раствором с целью удаления этого раствора может производиться через скважину или каким-либо другим известным способом. В частности, удаление десорбирующего раствора из зоны локализации может происходить естественным путем за счет его вытеснения незагрязненной частью потока подземных вод, движущихся перед фронтом загрязненных вод через зону локализации под влиянием естественного гидравлического уклона подземных вод.

Применение перечисленных операций обуславливает появление следующих отличительных положительных признаков и свойств заявляемого изобретения: предварительная подача в водоносный горизонт десорбирующего раствора и соответственно обработка им песчано-глинистых отложений, составляющих скелет этого горизонта, обеспечивает повышение сорбционной емкости этих отложений по отношению к загрязняющим веществам, попадающим в зону обработки. Например, при применении кислотного десорбирующего раствора происходит замена природных обменных катионов (натрия, калия, кальция и др.), содержащая на поверхности глинистых, слюдистых и полевошпатовых минералов, составляющих породы водоносного горизонта, на водородный катион десорбирующего раствора. Этот катион в свою очередь легко обменивается на катион металлов, содержащихся в загрязняющем растворе, когда они появятся в предварительно обработанной зоне водоносного горизонта. Таким образом, количество осаждаемых металлов из загрязняющего раствора в результате протекания ионообменных реакций значительно увеличивается по отношению к необработанным отложениям в соответствии с количеством вынесенных из них при обработке природных обменных катионов; подача воды в зону возможного загрязнения после заполнения ее десорбирующим раствором способствует отмывке от него песчано-глинистых отложений и образованию нейтрального буферного слоя между десорбирующим раствором и загрязненным раствором, поступающим в обработанную зону. Без этого процесс сорбции загрязняющих веществ в обработанной зоне оказался бы существенно замедленным, так как загрязненный раствор, попадая в эту зону и смешиваясь с оставшимся десорбирующим раствором, оказался бы в условиях, скорее способствующих десорбции, чем сорбции; в результате ионообменных реакций сорбированные на частицах породы загрязняющие вещества оказываются прочно связанными и практически недесорбируемы природными водами, т.е. дальнейшее распространение загрязнений вместе с потоком подземных вод устраняется; обработка вмещающих пород десорбирующим раствором не ухудшает их фильтрационных свойств, что позволяет проводить ее малыми средствами и в больших объемах водоносного горизонта. Кроме того, в этом случае не нарушается естественный режим подземных вод и устраняются такие нежелательные последствия, которые возникают при применении противофильтрационных завес, как подпор подземных вод, заболочивание поверхности земли и др.

применение углекислого газа для приготовления кислотного десорбирующего раствора позволяет получить ряд дополнительных положительных свойств в предлагаемом способе. К ним относятся: безвредность десорбирующего раствора; сохранность скелета вмещающих пород, что обусловлено слабым техническим взаимодействием с ним, по сравнению с такими десорбирующими растворами, как растворы соляной, серной и других сильных кислот; достаточно высокие десорбирующие свойства, одним из признаков которых является хорошая растворимость бикарбонатных и карбонатных соединений природных обменных катионов, возникающих в результате ионооменных реакций; относительная простота приготовления углекислого раствора, не требующая применения стойких в агрессивных средах материалов; низкая стоимость и широкая доступность углекислого газа; относительно простые требования по технике безопасности и др.

применение дымового газа для приготовления десорбирующего раствора основывается на представлении о повышенном в нем содержании углекислого газа, составляющем обычно 8-15% от общего объема. Наличие в дымовом газе углекислоты определяет тот же механизм действия десорбирующего раствора, содержащего растворенный дымовый газ, что и действие углекислотного раствора, но, конечно, при прочих равных условиях с меньшей интенсивностью протекания ионообменных реакций из-за пониженной концентрации углекислого газа в растворе. Но этот недостаток в масштабе времени реально протекающих природных процессов представляется несущественным и вполне компенсируется появляющимися достоинствами. К ним относятся: абсолютная дешевизна дымового газа как реагента для приготовления десорбирующего раствора; широкая доступность, поскольку могут быть использованы, после минимальной очистки, выхлопные газы от любого двигателя внутреннего сгорания; возможность создания мобильных и автономных передвижных установок по обработке почво-грунтов как в зоне водонасыщения, так и в зоне аэрации и др.

существенным достоинством способа является возможность его многократного использования в одном и том же объеме водоносного горизонта. В этом случае проведение десорбции в зоне, где произошло накопление загрязняющих веществ, через скважину и откачки получаемых растворов через ту же или другую скважину, позволит использовать один и тот же объем водоносного горизонта не только для очистки загрязненных вод, но и для получения растворов с высокой концентрацией десорбированных веществ, достаточной для рентабельной промышленной их переработки.

Выполнение способа поясняется на следующем примере. Известно, что предполагается поступление загрязненных вод с повышенным содержанием радиоактивных цезия и стронция в пористые водонасыщенные песчано-глинистые отложения, находящихся на глубине 40 м. Поступление загрязненных вод происходит вместе с естественным потоком подземных вод. Общий объем загрязненных вод составляет 2000 м³.

Известно также, что в результате естественной сорбции загрязненных веществ на песчано-глинистых отложениях зона их распространения уменьшается по сравнению с зоной распространения закачных растворов и составляет 0,75 от последней, т.е. по этим данным загрязненная часть водоносного горизонта будет ограничиваться зоной распространения в нем 1500 м³ раствора. Кроме того, лабораторными и полевыми опытами установлено, что при обработке песчано-глинистых отложений углекислотным раствором их сорбционная емкость увеличивается в 2 раза по сравнению с естественной.

Исходя из этих исходных данных, через скважину, пробуренную в зоне поступления загрязненных вод, подают сначала 250 м³ углекислотного раствора и затем еще 500 м³ раствора, насыщенного дымовым газом. Таким образом достигается обработка десорбирующим раствором зоны, ограниченной распространением 750 м³ раствора, т.е. зоны, где и будут осаждены и прочно закреплены загрязняющие вещества.

Приготовление углекислотного раствора с концентрацией углекислого газа в растворе в количестве 3-5 г/л ведется по какому-либо из известных способов, например, путем одновременной подачи в скважину воды и расчетного количества углекислого газа. В этом случае растворение газа будет происходить в процессе нисходящего движения водогазовой смеси в стволе скважины. Поставка газа осуществляется в газовых баллонах, всего по данному примеру потребовалось 20 баллонов углекислого газа.

Приготовление раствора, насыщенного дымовым газом до концентрации 1 г/л, производится так же, как и углекислотного. Источником дымового газа служила ближайшая ТЭЦ, откуда газ поставлялся в баллонах, наполненных под давлением 150 атм. Всего потребовалось доставить по данному примеру 250 баллонов сжатого дымового газа.

Подача воды в обработанную десорбирующим раствором зону возможного поступления загрязненных вод по данному примеру происходила в результате естественного движения подземных вод, т.е. десорбирующий раствор вытеснялся из зоны обработки подземной водой, находящейся во смещающих породах между границей обработки и фронтом движущихся к ней загрязненной воды.

В результате выполненных операций объем загрязненного водоносного горизонта и соответственно подземных вод уменьшен в 2 раза. Кроме того, устранено последующее загрязнение подземных вод, связанное с движением его естественного потока через зону захоронения.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает надежную канализацию загрязнений в водоносных горизонтах в выбранных зонах локализации и исключает их дальнейшее перемещение по водоносному горизонту.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТАХ, включающий ограничение движения загрязняющих растворов путем сорбции загрязнений на породах зоны локализации, отличающийся тем, что в зону локализации до поступления в нее загрязнений подают растворы, способные их десорбировать.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что десорбирующий раствор после заполнения им зоны локализации из нее удаляют.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве десорбирующего раствора используют раствор углекислого газа.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве десорбирующего раствора используют раствор дымового газа.