Способ захоронения токсичных отходов
Владельцы патента RU 2366521:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет" (RU)
Изобретение относится к области строительства полигонов захоронения отходов, в частности к технологиям, обеспечивающим повышение надежности захоронения токсичных отходов, и способам связывания их инъекционными методами. Способ исключает миграцию токсикантов в геологической среде и может быть использован как при новом строительстве полигонов, так и при рекуперации и ликвидации существующих. Способ позволяет улучшить геотехнические характеристики грунтов основания фундаментов сооружений, возводимых на площадках бывших полигонов, а также обеспечивает охрану окружающей среды от загрязнения. Техническим результатом и задачей изобретения является повышение надежности захоронения токсичных отходов и исключение возможности миграции из них токсикантов в грунты, подземные воды и атмосферу из зоны захоронения. Способ захоронения токсичных отходов включает выемку котлована, устройство защитного слоя по его бортам и днищу, послойную укладку отходов с уплотнением, перекрытие каждого слоя разделительным изолирующим слоем малопроницаемого материала, после укладки верхнего разделительного изолирующего слоя выполняют геохимический барьер в виде контурной многослойной лабиринтной завесы. Слой отходов каждого уровня связывают путем нагнетания под давлением вспененных твердеющих цементогрунтовых растворов с получением в массиве объемного соотношения компонентов 2:1 - опасный отход:вспененный цементогрунт. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области строительства полигонов захоронения отходов, в частности к технологиям, обеспечивающим повышение надежности захоронения токсичных отходов, и способам связывания их инъекционными методами. Способ исключает миграцию токсикантов в геологической среде и может быть использован как при новом строительстве полигонов, так и при рекуперации и ликвидации существующих. Способ позволяет улучшить геотехнические характеристики грунтов основания фундаментов сооружений, возводимых на площадках бывших полигонов, а также обеспечивает охрану окружающей среды от загрязнения.
Известен способ захоронения твердых бытовых отходов, включающий выемку котлована, послойную укладку отходов с укаткой и перекрытием слоев малопроницаемым материалом (см. «Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для захоронения твердых бытовых отходов». Москва. 1996 т.) /1/
Недостатком известного способа является некачественное уплотнение слоев и плохая гидроизоляция их, что приводит к образованию пустот, провалов на поверхности, миграции вредных веществ в окружающую среду и, как следствие, загрязнению почвы, подземных вод и воздуха.
Известен способ защиты окружающей среды, включающий устройство защитного барьера в грунте по периметру загрязненного участка из противофильтрационного материала (например, из глины) по типу «стена в грунте», при котором сначала устраивается траншея, заполняемая впоследствии глиняным раствором, либо в виде шпунта из отдельных плоских элементов, соединяемых в замок и препятствующих распространению загрязнений (см. «Способ защиты окружающей среды от загрязнения бытовыми и промышленными отходами». RU №2294245, B09B 1/00, 2007-02-27) /2/
Недостатком известного способа является то, что при создании барьера необходимо устраивать траншею, заполнять ее глинистым раствором либо возводить шпунт из плоских элементов, что значительно повышает стоимость и трудоемкость работ, а также не исключает возможность загрязнения окружающей среды при их выполнении.
Известен способ нейтрализации жидких токсичных отходов (RU заявка №93003297, C02F 1/12, 1995.06.19) /3/ путем предварительного перемешивания их с природным сорбентом диатомита из расчета не менее 500 кг на 1 м3 отходов. После перемешивания смесь подвергается захоронению.
Недостатком известного способа является необходимость транспортирования диатомита с места его добычи, значительные затраты на перемешивание и укладку смеси на месте захоронения с устройством защитных экранов.
Известны инъекционные способы укрепления грунтов, которые позволяют улучшать свойства грунтов основания фундаментов, а также производить заполнение пустот и создавать завесы в виде геохимических барьеров, в том числе через направленные разрывы (SU 1444473, E02D 3/12, 1988-12-15) /4/, (SU 1227787, 4E05B 37/12, 1986-04-30) /5/, (RU 2122068, E02D 3/14, 1999-11-20) /6/, (см. 50-306-2005 «Основания и фундаменты повышенной несущей способности». Министерство строительства, архитектуры и ЖКХ РО, 2005 г.) /7/.
Недостатком известных способов является отсутствие сведений о возможности их использования для связывания токсичных отходов и снижения миграции токсикантов в грунтовой среде.
Наиболее близким из известных решений по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению (прототип) является способ захоронения токсичных отходов, включающий выемку котлована, устройство защитного слоя по его бортам и днищу, послойную укладку отходов с уплотнением, перекрытие каждого слоя разделительным изолирующим слоем малопроницаемого материала (см. СНиП 2.01.28-85. «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию». Москва. 1985 г.) /8/.
Недостатком известного способа является невозможность качественного уплотнения слоев отходов, плохая гидроизоляция и возможность миграции токсикантов при воздействии водной фазы (дождь, снег). Это приводит к образованию пустот, провалов на поверхности, миграции вредных веществ в окружающую среду и, как следствие, загрязнению почвы, подземных вод и воздуха.
Техническим результатом и задачей изобретения является повышение надежности захоронения токсичных отходов и исключение возможности миграции из них токсикантов в грунты, подземные воды и атмосферу из зоны захоронения.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе захоронения токсичных отходов, включающем выемку котлована, устройство защитного слоя по его бортам и днищу, послойную укладку отходов с уплотнением, перекрытие каждого слоя разделительным изолирующим слоем малопроницаемого материала, после укладки верхнего разделительного изолирующего слоя выполняют геохимический барьер в виде контурной многослойной лабиринтной завесы, а слой отходов каждого уровня связывают путем нагнетания под давлением вспененных твердеющих цементогрунтовых растворов с получением в массиве объемного соотношения компонентов 2:1 (опасный отход:вспененный цементогрунт).
Сущность изобретения поясняется чертежами, изображенными на фиг.1÷3.
На фиг.1 показан поперечный разрез котлована с защитным слоем по его бортам и днищу; слоями токсичных отходов и разделительными изолирующими слоями малопроницаемого материала.
На фиг.2 - устройство геохимического барьера в виде контурной многослойной лабиринтной завесы.
На фиг.3 - связывание слоя отходов каждого уровня путем нагнетания под давлением вспененных твердеющих цементогрунтовых растворов с получением в массиве объемного соотношения компонентов 2:1 (токсичный отход:вспененный цементогрунт).
Способ осуществляется в следующей последовательности.
Сначала производят выемку котлована 1, устройство защитного слоя 2 по его бортам и днищу, послойную укладку отходов 3 с уплотнением, перекрытие каждого слоя 3 разделительным изолирующим слоем малопроницаемого материала 4. Затем после укладки верхнего разделительного изолирующего слоя 5 выполняют геохимический барьер 6 с элементами контурной многослойной лабиринтной завесы 7 через инъектор с резцом 8.
На следующем этапе производят связывание слоя 3 отходов каждого уровня снизу вверх путем нагнетания под давлением через инъекторы 9 вспененных твердеющих цементогрунтовых растворов с получением в массиве зон закрепления 10 с объемным соотношением компонентов 2:1 (опасный отход:вспененный цементогрунт).
При создании геохимического барьера 6 в виде контурной многослойной лабиринтной завесы с элементами 7 используют, например, способы последовательного нагнетания двух компонентов через направленный разрыв (SU 1444473, 1227787). При этом особенностью предлагаемого изобретения является нагнетание первого раствора, например силиката натрия, со свойствами, обеспечивающими сорбцию токсичного отхода в слоях 6, то есть для формирования элемента геохимического барьера. Второй раствор (например, на основе цемента) является твердеющим раствором, служащим для создания многослойной лабиринтной завесы из элементов 7.
При нагнетании в грунт водных растворов силиката натрия (например, через инъектор с резцом 8) происходит мгновенная реакция между нагнетаемым раствором и поглощающим комплексом грунта с образованием гидрата окиси кальция. Гидрат окиси кальция представляет собой аморфную массу с большой удельной поверхностью, на которой адсорбируется гель кремневой кислоты. Параллельно с этими процессами ионообмена и сорбции происходит также взаимодействие силиката натрия с гипсом, карбонатом кальция и другими солями на поверхности частиц и агрегатов с образованием тонких пленок геля кремневой кислоты.
Физико-химические процессы, происходящие при взаимодействии водных растворов силиката натрия и лессовых пород, могут быть представлены в виде реакций, где роль отвердителя выполняет сам грунт
[ПК] Ca+Na2O nSiO2+mH2O=[ПК]Na+nSiO2(m-1)H2O+Ca(OH)2
CaSO4+Na2O nSiO2+mH2O=Na2SO4+nSiO2(m-1)H2O+Ca(OH)2
CaCO3+Na2O nSiO2+mH2O=Na2CO3+nSiO2(m-1)H2O+Ca(OH)2
Продукты реакции обеспечивают значительное упрочнение грунта, снижают его проницаемость, повышают несущую способность и водостойкость. Как известно, емкость обмена лессовых пород в щелочной среде резко возрастает, ввиду этого основную роль в процессе закрепления играют обменные реакции между катионами кальция коллоидно-минеральной части грунта и натрием силикатного раствора. Эта реакция представлена в виде:
В зависимости от активности грунта, его структурной прочности и физико-механических характеристик, а также плотности вводимого раствора и его объема получается геохимический барьер из закрепленного грунта. Избыток гидрата окиси кальция и силиката натрия обеспечивают физико-химическую сорбцию токсичных компонентов отхода и исключают его миграцию в окружающую среду.
При миграции токсиканту необходимо преодолеть не только лабиринт из элементов 7, но и многократно профильтроваться через элементы геохимического барьера 6. При использовании этих способов и такой конструкции завесы не только резко снижается проницаемость бортов котлована, но и исключается миграция токсикантов в окружающую среду за счет химических процессов, ионообмена и сорбции. Кроме того, завеса улучшает условия для связывания токсикантов вспененными цементогрунтовыми растворами, так как исключает возможность выхода раствора за пределы обрабатываемого слоя.
Нагнетание твердеющих вспененных цементогрунтовых растворов для связывания токсикантов в слоях 3 производится под давлением одним из способов, указанных в ТСН 50-306-2005, через инъекторы 9 или предварительно пробуренные скважины. При этом происходит сначала заполнение пустот, рыхлых зон и других нарушений и дефектов в слое отходов. Затем при подъеме давления до 0,3-0,6 МПа производится пропитка остальной части слоя отходов (в том числе через микроразрывы) с уплотнением и связыванием основной массы.
Состав вспененного цементогрунтового раствора может приниматься в зависимости от класса опасности отходов, вида и количества имеющихся в нем токсичных компонентов (например, с разным содержанием цемента, согласно патенту на изобретение №2122068). При этом для супертоксикантов 1-2 класса опасности в растворе должно быть не менее 50-70% цемента, а для остальных в диапазоне 10-45%. Особенностью применения вышеуказанных способов в предлагаемом изобретении является то, что, как показали лабораторные исследования, наибольшая эффективность связывания токсичных отходов (например, пестицидов, медного и железного купороса и др.) обеспечивается при получении в массиве объемного соотношения компонентов 2:1 (опасный отход:вспененный цементогрунт) и ниже. При этом извлекаемость токсичных компонентов из цементогрунтового камня в 20-25 раз меньше, чем из исходного отхода.
В качестве примера конкретного выполнения способа рассмотрим предложения по уничтожению (консервации) полигона захоронения опасных отходов-пестицидов, солей медного купороса и др. ядохимикатов в районе г.Батайска Ростовской области.
Захоронение опасных отходов было произведено в 1977-78 гг. с соблюдением основных требований по выбору площадки, геологических условий и др. в камуфлетные полости, полученные взрывом на глубине 25-30 м в малопроницаемых глинистых грунтах. В каждую емкость было уложено 120-150 т пестицидов и др. ядохимикатов. Подача отходов производилась россыпью, в таре и без тары через «дудку» диаметром 1,0 м, которая после завершения работ была заполнена глинистым грунтом с созданием в верхней части грунтовой пробки. Учитывая, что подземные воды были вскрыты на глубине 49,5 м, а подстилающие емкость с отходами грунты представлены малопроницаемыми глинами, было принято решение по устройству по контуру емкости геохимического барьера в виде контурной многослойной лабиринтной завесы и связыванию токсикантов в камуфлетной полости вспененными цементогрунтовыми растворами при получении в массиве объемного соотношения компонентов 2:1 (опасный отход:вспененный цементогрунт).
За период эксплуатации полигона, в связи с плохим уплотнением отходов при укладке, произошли провалы поверхности диаметром и глубиной 4-5 м. Ввиду этого, до начала выполнения инъекционных работ предложено засыпать провалы и устроить поверху подушку из глины толщиной 1,5-2,0 м. Затем было предложено создать геохимический барьер с элементами контурной многослойной лабиринтной завесы (через инъектор с резцом по авт. свид. №1444473) путем нагнетания через направленный разрыв сначала 600 л/п.м раствора силиката натрия плотностью 1,13 г/см3, а затем после промывки шлангов и инъектора с резцом водой 150 л/п.м вспененного грунтоцементного раствора с 20% содержанием цемента. При этом формировался комбинированный элемент геохимического барьера толщиной 20 см, внутри которого (на втором этапе нагнетания), устраивался элемент лабиринтной завесы из цементогрунтового камня толщиной 5,0 см и длиной 3,0 м. Из таких комбинированных элементов тощиной 25 см по контуру каждой полости была заложена двухслойная завеса (2 слоя по 25 см) общей длиной 18,0 м в плане и высотой 10 м.
После выполнения геохимического барьера с элементами контурной многослойной лабиринтной завесы были пробурены скважины диаметром 127 мм, оборудованы трубами-инъекторами для выполнения инъекционных работ по связыванию отходов в камуфлетной полости. Общее количество инъекций составило 12 шт. при радиусе инъецирования 1,0 м и высоте заходки 4 м. На одну инъекцию исходя из соотношения опасный отход:вспененный цементогрунт в массиве 2:1 нагнеталось 6,0 м3 вспененного цементогрунтового раствора. Параметры раствора при 50% цемента и 50% суглинка с числом пластичности 0,11-0,14 приведены в таблице.
| Таблица | |||||||||
| Расход компонентов на 1000 л рабочего раствора | |||||||||
| % сод. цем. в тв. фаз. | Кол-во цемента, кг | Кол-во грунта, кг | Кол-во ПАВ, кг | Количество воды, л | Параметры грунтовой суспензии | ||||
| для цемента | для грунта | Всего | соот. Г:В | Объем, л | γ, г/см3 | ||||
| 50 | 530 | 530 | 0,6 | 250 | 450 | 700 | 1,18 | 740 | 1,38 |
Для приготовления грунтовой суспензии использовать суглинки с числом пластичности не более 0,14. Марка цемента должна быть не ниже 400.
Таким образом, за счет создания геохимического барьера-завесы и связывания отхода в полости резко снижается возможность загрязнения окружающей среды, а зона размещения токсичного отхода окружена «саркофагом» из цементогрунта.
Источники информации
1. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для захоронения твердых бытовых отходов. Москва. 1996 г.
2. RU №2294245, B09B 1/00, 2007-02-27.
3. RU заявка №93003297, C02F 1/12, 1995.06.19.
4. SU 1444473, E02D 3/12, 1988-12-15.
5. SU 1227787, 4 E05B 37/12, 1986-04-30.
6. RU 2122068, E02D 3/14, 1999-11-20.
7. ТСН 50-306-2005 «Основания и фундаменты повышенной несущей способности». Министерство строительства, архитектуры и ЖКХ РО, 2005 г.
8. СНиП 2.01.28-85. «Полигоны по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию». Москва. 1985 г. - прототип.
Способ захоронения токсичных отходов, включающий выемку котлована, устройство защитного слоя по его бортам и днищу, послойную укладку отходов с уплотнением, перекрытие каждого слоя разделительным изолирующим слоем малопроницаемого материала, отличающийся тем, что после укладки верхнего разделительного изолирующего слоя выполняют геохимический барьер в виде контурной многослойной лабиринтной завесы, а слой отходов каждого уровня связывают путем нагнетания под давлением вспененных твердеющих цементогрунтовых растворов с получением в массиве объемного соотношения компонентов опасный отход:вспененный цементогрунт =2:1.
