СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РАЙОНАХ СКЛАДИРОВАНИЯ И ЗАХОРОНЕНИЯ ОТХОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ТОКСИЧНЫЕ ИЛИ РАДИОАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G21F9/24 B09B1/00 C02F1/62 

Изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для защиты от загрязнения токсичными или радиоактивными веществами подземных питьевых вод, грунтов и почв в районах размещения технических отходов.

Известен способ защиты от загрязнителей, заключающийся в том, что исходный раствор подвергают нейтрализации до величины 4,0 ≤ РН ≤ 2,0, одновременно с этим в исходный раствор разово вводят бентонитовую глину в количестве не более 5,0 г/дм³, осветленную водную фазу отделяют декантацией, а осадок многократно подвергают взаимодействию со следующими порциями исходного раствора до соотношения Ж:Т≤2:1 с последующей декантацией осветленной водной фазы (патент RU №2104316 С1 6, С22В 3/44 // С22В 15:00).

Недостатком известного способа является использование только природной бентонитовой глины в качестве сорбента, в то время как целый ряд местных суглинистых разностей могут обладать большей поглощающей способностью в отношении целого ряда загрязнителей. Известный способ не позволяет также дать количественную оценку минимально необходимого веса сорбента для полной очистки исходного раствора от загрязнителей. Кроме того, необходимо постоянное привлечение специалистов к процессу сбора и очистки сточных вод полигонов твердых бытовых отходов, а также к контролю за качеством выполнения этих работ.

Известен способ очистки сточных вод полигонов твердых бытовых отходов от тяжелых металлов, заключающийся в том, что сточные воды собирают с помощью дренажной системы и отводят в специальные пруды-накопители. Одновременно с этим готовят раствор известкового молока Са(ОН)₂, который смешивают в смесителях с собранными сточными водами в течение 10-15 минут до рН 9,0-9,5, причем необходимую рН создают, изменяя количество Са(ОН)₂ по отношению к обрабатываемому фильтрату. Обработанные сточные воды распределяют по поверхности полигона твердых бытовых отходов из расчета 1-2 мм/сутки, при этом общее рециркулируемое количество фильтрата на одной секции не должно превышать 200-300 мм/год на одну секцию, при этом в случае выделения кислого фильтрата его обработку перед рециркуляцией проводят до тех пор, пока рН фильтрата, отводимого дренажной системой, будет не ниже 7,0. В том случае, когда состав фильтрата находится в метановой фазе, но с концентрацией тяжелых металлов выше ПДК, рециркуляцию фильтрата предварительно обработывают раствором известкового молока до рН 9,0-9,5, при этом необходимую рН создают, изменяя количество Са(ОН)₂ по отношению к обрабатываемому фильтрату, проводят до максимального эффекта снижения концентрации тяжелых металлов в сточных водах, отводимых дренажной системой (патент РФ №2162059 С1 7, С02F 1/62, В09В 3/00).

Недостатком известного способа является необходимость постоянного привлечения специалистов к процессу сбора, очистки и регулярному контролю сточных вод полигонов твердых бытовых отходов.

Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом заявленного способа, является способ защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, заключающийся в том, что в предполагаемом месте захоронения отходов устанавливают экран (патент РФ №2050334 С1 6, С02F 1/62, 1/28).

Недостатком известного способа является невозможность прогнозирования предельного времени эксплуатации территории, отведенной под складирование указанных отходов, а также отсутствие возможности оценки скорости миграции загрязнителей в грунтовой толще, перекрывающей водоносный горизонт, и времени их попадания в него. К недостаткам следует отнести также отсутствие оценки необходимой мощности экрана, обеспечивающей защиту подземных вод на период эксплуатации территории.

Результатом изобретения является разработка способа защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, и устройства для его реализации, возможность прогнозирования предельного времени эксплуатации территории, возможность оценки скорости миграции загрязнителей в грунтовой толще, перекрывающей водоносный горизонт, и времени их попадания в него, а также увеличение времени эксплуатации защищаемой территории до требуемого за счет создания дополнительного искусственного экрана, мощность которого определяют аналитически по результатам анализа миграционных параметров загрязнителей в применяемых для его изготовления материалах.

Сущность заявленного в изобретении способа защиты от загрязнения подземных вод и почв в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, заключается в том, что в предполагаемом месте захоронения отходов устанавливают экран, при этом дополнительно в проектируемом месте захоронения отходов формируют наборы проб грунтовой толщи зоны аэрации (на глубину до первого водоносного горизонта) защищаемой территории, формируют наборы проб местных глин из ближайшего региона, разделяют пробы грунтовой толщи защищаемой территории на слои, представленные различными литологическими разностями, а затем на основании заданной при проектировании концентрации загрязнителей, требуемого времени эксплуатации и с учетом допустимой точности отклонений для каждого слоя определяют эффективную пористость (n _э), коэффициент микродисперсии (D), скорость фильтрации (ν) и значение предельно допустимой концентрации первого загрязнителя на верхней границе смежного слоя, затем разбивают территорию на отдельные участки и для каждого слоя каждого из них с учетом мощности определяют предельное время функционирования как естественного геохимического барьера, выявляют участки территории (k), для которых интервал отклонения ΔT_s требуемого срока эксплуатации территории Т_экс от предельного времени его функционирования как естественного геохимического барьера T_{s пр} превышает заранее установленное допустимое значение

ΔТ_s=Т_экс-T_{s пр}>Т_доп, формируют базу данных миграционных параметров потенциальных загрязнителей для местных глин и материалов искусственных экранов и в соответствии с требуемой мощностью покрывают каждый участок защищаемой территории материалом экрана.

Сущность заявленного изобретения заключается также в том, что дополнительно формируют базу данных требуемой мощности экранов по отдельным участкам, выбирают из этого набора требуемое наибольшее значение мощности сорбирующего искусственного экрана и равномерным слоем наносят его на всю защищаемую территорию.

Сущность заявленного изобретения заключается также в том, что в случае локализации очага загрязнения по границе его распространения вынимают грунтовую толщу на глубину до нижней границы водоносного горизонта, а затем заполняют образовавшуюся траншею материалом экрана и создают экран типа «стена в грунте».

Сущность заявленного изобретения заключается также в том, что в случае локализации очага загрязнения по границе его распространения бурят в шахматном порядке цепь скважин на глубину до нижней границы водоносного горизонта и через них нагнетают выбранный для экрана тампонажный раствор в поровое или трещинно-пустотное пространство грунта и создают вертикальный противофильтрационный сорбирующий экран, объем которого определяют по формуле

V=πnHR², где (n - пористость грунта, R - радиус распространения раствора, H - глубина до нижней границы водоносного горизонта), при этом расстояние между скважинами в ряду и между рядами скважин не должно превышать 2R.

Сущность заявленного изобретения заключается также в том, что в устройство для реализации способа, содержащее блок формирования наборов проб грунтовой толщи, блок измерения концентрации загрязнителей, блок формирования раствора с заданной исходной концентрацией загрязнителей, дополнительно включены таймер, первый и второй вычислители, блок памяти, блок ввода-вывода информации, блок сравнения и исполнительный механизм, причем выходы блока формирования наборов проб грунтовой толщи, блока формирования раствора с заданной исходной концентрацией загрязнителей подключены соответственно к первому и второму входам блока измерения концентрации загрязнителей, а выход таймера подключен одновременно к третьему входу блока измерения концентрации загрязнителей и второму входу первого вычислителя, первый вход которого соединен с выходом блока измерения концентрации загрязнителей, при этом вход-выход первого вычислителя подключен двухсторонней линией связи к первому входу-выходу блока памяти, второй вход которого соединен с блоком ввода-вывода информации, а третий и четвертый входы-выходы блока памяти соединены двухсторонними линиями связи с входом-выходом второго вычислителя и блока сравнения, при этом второй выход блока ввода-вывода информации соединен с исполнительным механизмом.

Техническая реализация способа и устройства для защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные и радиоактивные вещества, осуществляется на базе современного приборостроительного оборудования для геохимического анализа грунта, элементной базе компьютерной техники, химической промышленности и землеустроительной техники.

В качестве исполнительного механизма выступает конкретная землеустроительная техника, буровые и инъекционные установки, рекомендованная после проведения проектных землеустроительных работ.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для реализации способа, где показан: блок формирования наборов проб грунтовой толщи 1, блок формирования раствора с заданной исходной концентрацией загрязнителей 2, блок измерения концентрации загрязнителей 3, таймер 4, первый вычислитель 5, блок памяти 6, блок ввода - вывода информации 7, второй вычислитель 8, блок сравнения 9, исполнительный механизм 10.

На фиг.2 приведен пример экспериментальной оценки относительной концентрации загрязнителей от времени.

Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом (фиг.1).

На предварительном этапе в предполагаемом месте захоронения токсичных отходов формируют наборы проб грунтовой толщи как непосредственно на проектируемой территории до первого водоносного горизонта, так и в ближайших местах расположения местных глин, которые затем разделяют на отдельные слои по различным литологическим разностям и в блоке 1 формируют исходный набор проб слоев грунтовой толщи. На базе полученных проб экспериментально определяют зависимость изменения концентрации каждого загрязнителя в каждом литологическом слое от времени при фильтрации исходных растворов загрязнителей через образцы грунтов.

Для этого в блоке 2 составляют исходный раствор с заданной концентрацией загрязнителей С_исх и последовательно каждый образец из набора проб слоев грунтовой толщи защищаемой территории и местных глин 1 последовательно загружают в блок определения изменения концентрации загрязнителей во времени 3. С помощью таймера 4 фиксируют время начала измерений и регулярно через установленные промежутки времени Δt берут дозированный объем фильтрата и измеряют концентрацию загрязнителей, например, с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра. С выхода блока измерения концентрации загрязнителя 3 соответствующие электрические сигналы по каждому из загрязнителей подают на первый вход вычислителя 5, на второй вход которого подают сигнал со второго выхода таймера 4 и определяют относительную концентрацию каждого исследуемого элемента в заданный момент времени t_i по формуле

С_{ki отн}=С_ki/C_{ki исх} (где C_ki - концентрация исследуемого элемента «к» для отсчетного момента времени t_i, С_kiисх - концентрация исследуемого элемента «к» в исходном растворе).

Через выбранные заранее интервалы времени Δt процедуру определения относительной концентрации повторяют и на выходе первого вычислителя 5 последовательно формируют соответствующие электрические сигналы, которые подают на первый вход блока памяти 6, где и запоминают в соответствующем ее разделе.

По результатам эксперимента в первом вычислителе 5 строят семейство графических зависимостей C_kотн(t) изменения относительной концентрации каждого (k) исследуемого элемента от времени фильтрации и графоаналитическим методом (В.М.Шестаков «Динамика подземных вод», МГУ, 1973, стр.292) определяют значения миграционных параметров - эффективной пористости n_э и коэффициента микродисперсии D. На фиг.2 представлен характерный вид подобного семейства кривых, где точками обозначены результаты эксперимента.

Процедура определения миграционных параметров проводится для всех исследуемых загрязнителей по каждому образцу грунтового слоя, ибо грунтовая толща, как правило, представлена несколькими литологическими разностями. Поэтому в блоке определения концентрации загрязнителей во времени 3 заменяют образцы грунта и всю процедуру определения миграционных параметров повторяют для всех образцов слоев защищаемой грунтовой толщи.

Аналогично определяют миграционные параметры местных глин и где индекс «g» определяет местонахождение исследуемого образца.

На основании проведенного анализа в блоке памяти 6 формируют обобщенную базу данных миграционных параметров загрязнителей в защищаемой грунтовой толще; в эту базу также включают сведения о миграционных параметрах загрязнителей в местных глинах и известных материалах для искусственных экранов, например, суспензионных и химических гелеобразующих растворов (цементно-песчаных, песчано-глинистых, песчано-гелевых и т.д.).

Для случая, когда грунтовая толща является сочетанием двух и более слоев с разными литологическими разностями, концентрацию загрязнителя на верхней границе водоносного горизонта вычисляют, исходя из конкретного сочетания слоев и с учетом мощности каждого слоя.

Количественную оценку степени защищенности подземных вод от загрязнения в районах захоронения токсичных или радиоактивных отходов проводят на основе расчета предельно допустимого времени эксплуатации участка захоронения (Т_пр.), при котором ни один из выявленных загрязнителей не выходит за пределы естественного или искусственного экрана, рассматриваемого в качестве геохимического барьера как в период эксплуатации, так и после консервации участка захоронения. Это означает, что определяют время, когда концентрация самого активного загрязнителя будет меньше ПДК на границе первого водоносного горизонта, контактирующего с участком захоронения отходов.

Возможность создания искусственных экранов в значительной степени определяется их стоимостью. В этой связи определяют минимальную (необходимую и достаточную) мощность экрана, который будет служить надежным геохимическим барьером для загрязнителей на протяжении всего периода эксплуатации участка захоронения и после его консервации.

По команде оператора через блок ввода-вывода 7 сигнал с выхода блока памяти 6, соответствующий базе данных миграционных параметров участков защищаемой территории, подают на первый вход второго вычислителя 8, затем определяют предельное время эксплуатации каждого участка территории Т_{s пр} как естественного геохимического барьера, сравнивают с требуемым по заданию временем ее эксплуатации Т_эк, определяют интервал времени требуемого срока продления его службы ΔT_s=Т_эк-Т_{s пр}, сравнивают с допустимым порогом ΔТ_доп и для ΔT_s>Т_доп формируют соответствующую базу данных защищаемой территории, которую отдельно запоминают в блоке памяти 6.

В том случае, если ΔT_s>Т_доп решение проблемы защиты подземных вод может быть выполнено путем создания искусственного экрана. В качестве такого экрана в условиях приповерхностного захоронения отходов экономически наиболее целесообразным может выступать искусственный «горизонтальный» экран из местных глин, который представляет собой искусственно созданный дополнительный грунтовый слой.

По результатам расчета формируют базу данных мощности экранов участков защищаемой территории и соответствующие сигналы с первого выхода вычислителя 8 подают на третий вход блока памяти 6.

В дальнейшем возможны два варианта завершения работ.

Вариант №1.

Каждый из участков защищают экраном, мощность которого соответствует расчетному значению M_{s min}.

Вариант №2.

После завершения расчета мощности экранов для участков защищаемой территории определяют участок, требующий максимальной мощности экрана . Для этого с выхода 3 блока памяти 6 сигнал, соответствующий базе данных мощности экранов участков защищаемой территории, подают на вход блока сортировки по параметру, в котором определяют максимальное значение требуемой мощности экрана и соответствующий сигнал подают в блок ввода-вывода информации 7. В соответствии с полученным значением мощности экрана оператор формирует в блоке ввода-вывода информации 7 сигнал для включения исполнительных механизмов по формированию защитного экрана.

В условиях глубинного захоронения отходов или при необходимости предотвратить возможность загрязнения пограничных территорий (локализации места захоронения отходов) увеличение времени эксплуатации достигают путем создания вертикального экрана в водоносном горизонте.

Вариант №3 («стена в грунте»).

По границе защищаемой территории вырывают траншею на глубину до нижней границы первого водоносного горизонта и шириной

Траншею заполняют глиной, выбранной для изготовления экрана.

Вариант №4 (вертикальная сорбирующая завеса).

Экран выполняется путем создания противофильтрационной сорбирующей завесы, для чего по периметру защищаемой территории бурят скважины рядами в шахматном порядке на глубину до нижней границы водоносного горизонта. Шаг между скважинами в каждом ряду определяют по радиусу распространения инъекционного раствора R, который зависит от гранулометрического состава тампонируемых пород, обводненности грунта, давления в инъекторе и т.д. (согласно «Техническая мелиорация пород» под ред. С.Д.Воронкевича, М.: Изд-во МГУ, 1981 г., 342 С.; Ч.III, Гл 8, стр.186) и практически составляет 1<R<20 (м). Объем тампонажного раствора определяют по формуле

V=πnHR² (где n - пористость грунта, Н - глубина скважины (м), R - радиус распространения раствора (м)), при этом расстояние между скважинами в ряду и между рядами скважин не должно превышать 2R. В результате инъекции глинистых или химических гелеобразующих растворов в поровое или трещинно-пустотное пространство грунта создают вертикальный противофильтрационный сорбирующий экран.

Использование заявленного изобретения позволит исходя из заданной техногенной нагрузки провести оценку продолжительности срока эксплуатации проектируемого участка складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества. В случае, когда требуемое время эксплуатации существенно больше указанного срока, необходимо увеличить его за счет создания защитных экранов из естественных и искусственных сорбирующих материалов.

Изобретение может быть использовано для защиты от загрязнения токсичными или радиоактивными веществами подземных питьевых вод, грунтов и почв в районах хранения технических отходов. В предполагаемом месте захоронения отходов создают экран, формируют наборы проб грунтовой толщи на глубину до первого водоносного горизонта защищаемой территории и наборы проб местных глин из ближайшего региона. Разделяют пробы грунтовой толщи защищаемой территории на слои, представленные различными литологическими разностями, а затем разбивают территорию на отдельные участки и для каждого из них определяют предельное время функционирования как естественного геохимического барьера. Выявляют участки территории (k), для которых интервал отклонения ΔТ_s требуемого срока эксплуатации территории Т_экс от предельного времени его функционирования как естественного геохимического барьера T_{s пр} превышает заранее установленное допустимое значение ΔТ_s=Т_экс-T_{s пр}>Т_доп._{Формируют базу данных миграционных параметров потенциальных загрязнителей для местных глин и материалов для искусственных экранов, и покрывают каждый участок защищаемой территории материалом экрана. Технический результат: возможность прогнозирования предельного времени эксплуатации территории, возможность оценки скорости миграции загрязнителей в грунтовой толще и увеличение времени эксплуатации защищаемой территории. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.}

1. Способ защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, заключающийся в том, что в предполагаемом месте захоронения отходов создают экран, отличающийся тем, что в проектируемом месте захоронения отходов формируют наборы проб грунтовой толщи на глубину до первого водоносного горизонта защищаемой территории, формируют наборы проб местных глин из ближайшего региона, разделяют пробы грунтовой толщи защищаемой территории на слои, представленные различными литологическими разностями, а затем разбивают территорию на отдельные участки и для каждого из них определяют предельное время функционирования как естественного геохимического барьера, выявляют участки территории (k), для которых интервал отклонения ΔT_s требуемого срока эксплуатации территории Т_экс от предельного времени его функционирования как естественного геохимического барьера T_{s пр} превышает заранее установленное допустимое значение ΔT_s=T_экс-T_{s пр}>Т_доп, формируют базу данных миграционных параметров потенциальных загрязнителей для местных глин и материалов для искусственных экранов и покрывают каждый участок защищаемой территории материалом экрана.2. Способ защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества по п.1, отличающийся тем, что формируют базу данных требуемой мощности экранов по отдельным участкам, выбирают из этого набора требуемое наибольшее значение мощности сорбирующего искусственного экрана и равномерным слоем наносят его на всю защищаемую территорию.3. Способ защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества по п.1, отличающийся тем, что в случае локализации очага загрязнения по границе его распространения вынимают грунтовую толщу на глубину до нижней границы водоносного горизонта, а затем заполняют образовавшуюся траншею материалом экрана и дополнительно создают экран типа «стена в грунте».4. Способ защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества по п.1, отличающийся тем, что в случае локализации очага загрязнения по границе его распространения бурят в шахматном порядке цепь скважин на глубину Н, через них нагнетают в поровое или трещинно-пустотное пространство грунта выбранный для экрана тампонажный раствор и создают вертикальный противофильтрационный сорбирующий экран, объем которого определяют по формуле V=πnHR², где n - пористость грунта, R - радиус распространения раствора, Н - глубина до нижней границы водоносного горизонта, при этом расстояние между скважинами в ряду и между рядами скважин не должно превышать 2R.5. Устройство для защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные и радиоактивные вещества, включающее блок формирования наборов проб грунтовой толщи, блок измерения концентрации загрязнителей, блок формирования раствора с заданной исходной концентрацией загрязнителей, отличающееся тем, что в него дополнительно включены таймер, первый и второй вычислители, блок памяти, блок ввода-вывода информации, блок сравнения и исполнительный механизм, причем выходы блока формирования наборов проб грунтовой толщи, блока формирования раствора с заданной исходной концентрацией загрязнителей подключены соответственно к первому и второму входам блока измерения концентрации загрязнителей, а выход таймера подключен одновременно к третьему входу блока измерения концентрации загрязнителей и второму входу первого вычислителя, первый вход которого соединен с выходом блока измерения концентрации загрязнителей, при этом вход-выход первого вычислителя подключен двухсторонней линией связи к первому входу-выходу блока памяти, второй вход которого соединен с блоком ввода-вывода информации, а третий и четвертый входы-выходы блока памяти соединены двухсторонними линиями связи с входом-выходом второго вычислителя и блока сравнения, при этом второй выход блока ввода-вывода информации соединен с исполнительным механизмом.