СПОСОБ УСИЛЕНИЯ БАРЬЕРНЫХ ФУНКЦИЙ ПОЧВЫ ПРОТИВ УГЛЕВОДОРОДНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК E02D31/00 

Изобретение относится к способам защиты почв, грунтов и грунтовых вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, в частности к способам создания противофильтрационных экранов и сорбционных барьеров при строительстве нефте- и продуктохранилищ, нефтепроводов, шламонакопителей и др.

Основным источником углеводородного загрязнения почв и грунтовых вод являются поверхностные разливы нефти и нефтепродуктов вследствие их утечек при транспортировании и хранении. Поскольку углеводороды относятся к гидрофобным (малорастворимым в воде) загрязнителям, они могут пребывать в почве и грунте в виде четырех фаз: жидкой углеводородной (главным образом, алифатические углеводороды), паровой (летучие углеводороды), раствора в воде (моно- и полиароматические углеводороды) и сорбированном состоянии. Наиболее опасны для окружающей среды первые три фазы, имеющие высокую подвижность.

Известны способы ограничения движения жидких и парообразных загрязнителей в почвах и грунтах путем создания твердых или жидких противофильтрационных экранов, которые могут быть как совершенно непроницаемыми, так и полупроницаемыми.

Твердые противофильтрационные барьеры создаются либо на основе растворов (суспензий) химических реагентов, способных к отверждению, либо на основе суспензий, способных кольматировать поровое пространство почв и грунтов.

Известен способ создания противофильтрационного барьера с использованием водных композиций химических реагентов, способных образовывать гель, или водных суспензий портландцемента (патент США №5002431, опубл. 26.03.1991).

Известен способ обработки почвы, предусматривающий использование сшитого вспененного полимерного геля для блокирования потока мигрирующей жидкости (патент США №5462390, опубл. 31.10.1995). Образующийся защитный экран, как и в предыдущем способе, практически полностью прекращает миграцию как гидрофильных (водных), так и гидрофобных (углеводородных) жидкостей.

Известен способ создания противофильтрационного экрана путем кольматации порового пространства почв и/или грунтов смесью глинистого грунта, отходов горнодобывающей промышленности в воде. (Авт. св. СССР №1749349, опубл. 23.07.1992)

Все указанные способы приводят к образованию экранов, полностью или частично непроницаемых для жидких флюидов, в том числе для воды и водных растворов. Это вызывает изменение водно-физических свойств почв и грунтов и, как следствие, их водного режима. В результате может происходить переувлажнение и заболачивание почв и почвогрунтов. Это приводит к потере почвенного плодородия вследствие угнетения аборигенной микрофлоры и фауны.

Известны способы предотвращения миграции жидких флюидов путем создания гидравлического барьера (патент Российской Федерации №2141441, опубл. 20.11.1999; патент США №6688812, опубл. 10.02.2004). Барьер образуется за счет нагнетания воды через систему труб или скважин в зону, охватывающую источник загрязнения. Недостатками этих способов является необходимость инженерного оборудования участка, подлежащего обработке; постоянное поддержание необходимого давления в гидравлической завесе; резкое возрастание обводненности обрабатываемых почв и грунтов, что приводит к еще большему ухудшению состояния почв и грунтов, чем в случае создания полностью непроницаемых барьеров.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ, в котором гидрофобный жидкий экран, предназначенный для блокирования вертикальной миграции загрязнителей, осуществляется на основе действия капиллярных сил (патент США №5988950, опубл. 23.11.1999). В почве создается система, состоящая из самой почвы и гидрофобного вещества, которое поступает в капиллярные поры, таким образом формируя в них барьер, предотвращающий восходящую миграцию загрязнителей, переносимых водой, через почвенные капиллярные поры. К сожалению этот барьер не блокирует гидрофобные загрязнители. Более того, он сам может вызывать вторичное загрязнение почв и грунтовых вод, так как для его создания в качестве барьера используются опасные для окружающей среды материалы (нефтяные и минеральные масла).

Таким образом, по результату воздействия на загрязнитель и окружающую среду рассмотренные аналоги и прототип условно разделяются на две группы:

а) полностью блокирующие движение загрязнителя с поверхности вглубь почвы (грунта) как в виде жидкой гидрофобной фазы, так и в виде раствора в воде. Все эти способы резко ухудшают водно-физические свойства почвенной и грунтовой сред, приводя к их высокой обводненности и заболачиванию поверхностных слоев;

б) частично блокирующие фильтрацию либо жидкой углеводородной фазы, либо растворов углеводородов в воде, что существенно снижает эффективность создаваемых барьеров.

Целью изобретения является создание барьера, предотвращающего нисходящую миграцию гидрофобных загрязнителей в почвах и грунтах, как в виде отдельной жидкой фазы, так и в виде водного раствора. Создаваемый барьер состоит из двух зон, различных по своей функциональной направленности. Верхняя зона выполняет функцию капиллярного гидравлического экрана, полностью предотвращающего нисходящую фильтрацию жидких углеводородов. Нижняя зона предназначена для сорбционного связывания растворенных в воде углеводородов, особенно моно- и полиароматических. В качестве сорбента, образующего нижнюю сорбционную зону, используется активированный уголь. Он является эффективным сорбентом углеводородов, в том числе полиароматических. Поскольку поверхность этого сорбента обладает гидрофобными свойствами, он сохраняет высокую сорбционную емкость в водонасыщенных условиях.

Результат достигается внесением в верхний слой почвы или грунта (первая зона барьера) природных минеральных и органических сорбентов, обладающих высокими водоудерживающими свойствами за счет капиллярных и сорбционных сил, с последующим увлажнением почвенной (грунтовой) среды до состояния полевой влагоемкости, и активированного угля в нижний слой почвы или грунта (вторая зона барьера). В случае необходимости состояние полевой влагоемкости среды поддерживается периодическим увлажнением поверхности почвы (грунта) с частотой, определяемой интенсивностью и количеством естественных осадков.

Создаваемый барьер блокирует нисходящую миграцию жидких и летучих гидрофобных флюидов в нижние слои почвы и грунтовые воды, сорбирует растворенные в воде углеводороды, оставаясь проницаемым для воды. В сравнении с аналогами создаваемый по предлагаемому способу барьер обладает следующими преимуществами: высокой эффективностью удерживания жидких и растворенных в воде углеводородных загрязнителей, сохранением водно-физических свойств почвы (грунта), низкой стоимостью и экологической безопасностью, поскольку для его осуществления используются дешевые и экологически безопасные материалы, а затраты на реализацию метода невелики.

Эффективная иммобилизация углеводородных загрязнителей сорбционно-капиллярным барьером достигается благодаря двум эффектам:

а) увеличению гидравлического сопротивления водонасыщенной почвенной среды по отношению к фильтрации гидрофобных жидкостей (углеводородов) вследствие внесения гидрофильных сорбентов в почву, и

б) высокой сорбционной емкости внесенных сорбентов по отношению к жидким и растворенным в воде углеводородам.

В предлагаемом способе используют такие минеральные сорбенты, как цеолиты, глины, диатомиты и доломиты, и такие органические сорбенты, как торф, целлюлозу, лигнин, древесные опилки, измельченную кору, солому, биомассу культурных и дикорастущих растений, в качестве сорбента углеводородов, растворенных в воде, - гранулированный или порошкообразный активированный уголь.

Способ осуществляют следующим образом. На участке, подлежащем защите от углеводородного загрязнения, удаляют верхний (0-25 см) слой почвы или грунта, на освободившуюся поверхность наносят слой активированного угля или его смеси с почвой (грунтом), поверх которого размещают удаленную почву (грунт), минеральные и/или органические сорбенты. Затем влажность среды доводят до состояния полевой влагоемкости путем поверхностного увлажнения.

В соответствии с предлагаемым изобретением сорбенты вносят в почву по трем схемам, которые иллюстрируются следующими чертежами:

Фиг.1. Поперечный разрез капиллярно-сорбционного барьера на основе минерального сорбента и активированного угля.

Фиг.2. Поперечный разрез капиллярно-сорбционного барьера на основе органического сорбента и активированного угля.

Фиг.3. Поперечный разрез капиллярно-сорбционного барьера на основе минерального сорбента, органического сорбента и активированного угля

На чертежах обозначены:

(1) - слой почвы (грунта);

(2) - слой почвы (грунта), смешанной с минеральным сорбентом;

(3) - слой активированного угля, или его смеси с почвой (грунтом);

(4) - слой органического сорбента;

(5) - увлажнение.

По Схеме №1 (Фиг.1) предварительно удаляют верхний слой (h1=25 см) почвы (1). Затем укладывают слой (3) (h2=5-10 см) активированного угля или его смеси с почвой (грунтом) в соотношении от 10:1 до 1:10, поверх которого размещают слой (2) ранее удаленной почвы, смешанной с минеральным сорбентом в соотношении сорбент/почва от 1:99 до 1:2.

В соответствии со Схемой №2 (Фиг.2) удаляют верхний слой почвы (1) (h1=5-20 см). Затем укладывают слой (3) (h2=5-10 см) активированного угля или его смеси с почвой (грунтом) в соотношении от 10:1 до 1:10, поверх которого размещают слой органического сорбента (4) (h3=5-20 см). Сверху укладывают слой ранее удаленной почвы (1).

Применения схем №1 и №2 достаточно для полного удерживания жидких и растворенных в воде углеводородов в случае глинистых или суглинистых почв и грунтов.

Комбинированная Схема №3 (Фиг.3) рекомендуется для легких (супесчаных) почв и грунтов. Она включает создание верхнего слоя (2) из смеси минерального сорбента с почвой при соотношении сорбент/почва от 1:99 до 1:2, среднего слоя (4) органического сорбента, а также нижнего слоя (3) активированного угля или его смеси с почвой (грунтом) в соотношении от 10:1 до 1:10. Сорбенты вносят следующим образом: а) предварительно удаляют верхний слой почвы толщиной h1=5-20 см, который смешивают с минеральным сорбентом в выбранном соотношении, б) затем укладывают слой (3) (h2=5-10 см) активированного угля или его смеси с почвой (грунтом) в выбранном соотношении, в) затем - слой органического сорбента толщиной h3=5-20 см, г) на слой органического сорбента укладывают подготовленную смесь почвы с минеральным сорбентом. Толщина общего слоя минерального и органического сорбентов (h1+h3=25 см).

Увлажнение почвы водой (5) до достижения состояния полевой влагоемкости производят вне зависимости от использованной схемы. При таком способе образуется гидрофильный капиллярный барьер в поровом пространстве внесенных сорбентов, который препятствует нисходящей миграции жидкой фазы гидрофобных загрязнителей в почвах (грунтах).

Пример 1 (соответствует Схеме №1)

В полевом стационарном лизиметре, заполненном выщелоченным черноземом, удаляли верхний слой почвы толщиной 25 см. Затем укладывали слой 10 см смеси активированного угля с почвой в соотношении 1:1, поверх которого помещали слой удаленной почвы, смешанной с цеолитсодержащей породой Татарско-Шатрашанского месторождения, республика Татарстан (содержание минералов: клиноптилолит - 12%, монтмориллонит - 20%, кварц -18%, кальцит - 18%, опал/кристобалит - 26%) в соотношении сорбент/почва 1:99.

Почву в лизиметре увлажняли до состояния полевой влагоемкости. Затем на поверхность увлажненной почвы наносили дизельное топливо с общим содержанием полиароматических углеводородов (ПАУ) 7% в количестве 15 л/м². В течение сезона анализировали состав фильтрата, вытекающего из лизиметра. Через 6 месяцев из лизиметра отбирали образцы почвы на различных глубинах. Углеводороды, содержащиеся в почвенных образцах и фильтрате, экстрагировали четыреххлористым углеродом. Содержание углеводородов в экстракте анализировали методом газожидкостной хроматографии. Начиная с глубины 15 см, присутствие алифатических углеводородов не обнаруживали. В водном фильтрате концентрация ПАУ была меньше 0,03 мг/л.

Пример 2 (соответствует Схеме №2).

В полевом стационарном лизиметре, заполненном выщелоченным черноземом, удаляли верхний слой почвы толщиной 15 см. На образовавшуюся поверхность укладывали слой 5 см активированного угля, поверх которого помещали слой верхового торфа (размер частиц менее 5,0 мм) толщиной 10 см. На его поверхность укладывали ранее удаленный слой выщелоченного чернозема. Почву увлажняли до состояния полевой влагоемкости. Загрязнение поверхности и анализ углеводородов проводили аналогично Примеру 1. Начиная с глубины 25 см, присутствие алифатических углеводородов не обнаруживали. В водном фильтрате концентрация ПАУ была меньше 0,01 мг/л.

Пример 3 (соответствует Схеме №3).

В полевом стационарном лизиметре, заполненном дерново-подзолистой почвой, удаляли верхний слой почвы толщиной 15 см. На образовавшуюся поверхность помещали слой 10 см смеси активированного угля с почвой в соотношении 1:10, затем верховой торф (размер частиц менее 5,0 мм) слоем толщиной 10 см. На его поверхность укладывали ранее удаленный слой дерново-подзолистой почвы, смешанной с глиной Бикляньского месторождения, республика Татарстан (содержание монтмориллонита - 90%) в соотношении 5:1. Почву увлажняли до состояния полевой влагоемкости. Загрязнение поверхности и анализ углеводородов проводили аналогично Примеру 1. Начиная с глубины 25 см, присутствие алифатических углеводородов не обнаруживали. В водном фильтрате концентрация ПАУ была меньше 0,04 мг/л.

Изобретение относится к способам защиты почв, грунтов и грунтовых вод от углеводородного загрязнения, в частности, к способам создания противофильтрационных экранов при строительстве нефтехранилищ, нефтепроводов и др. Способ создания противофильтрационного барьера, предотвращающего нисходящую миграцию гидрофобных загрязнителей в почвах и грунтах, как в виде отдельной жидкой фазы, так и в виде водного раствора, включает формирование жидкого капиллярного экрана и расположенного ниже сорбционного барьера. В верхний слой почвы или грунта вносят природные минеральные и/или органические сорбенты, обладающие высокими водоудерживающими свойствами, с последующим увлажнением почвенной или грунтовой среды до состояния полевой влагоемкости При формировании сорбционного барьера используют активированный уголь. Технический результат состоит в повышении эффективности удерживания жидких и растворенных в воде углеводородных загрязнителей, сохранении водно-физических свойств почвы, повышении экологической безопасности, снижении материалоемкости. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ создания противофильтрационного барьера, предотвращающего нисходящую миграцию гидрофобных загрязнителей в почвах и грунтах, как в виде отдельной жидкой фазы, так и в виде водного раствора, включающий формирование жидкого капиллярного экрана и расположенного ниже сорбционного барьера, отличающийся тем, что в верхний слой почвы или грунта вносят природные минеральные и/или органические сорбенты, обладающие высокими водоудерживающими свойствами, с последующим увлажнением почвенной или грунтовой среды до состояния полевой влагоемкости, а при формировании сорбционного барьера используют активированный уголь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбционный барьер формируют из гранулированного, или порошкообразного активированного угля, или его смеси с почвой (грунтом) в соотношении от 10:1 до 1:10, в виде слоя толщиной 5-10 см.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве минеральных сорбентов используют цеолиты, глины, диатомиты или доломиты в количестве 1-33% от массы сухой почвы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что сорбенты вносят в виде смеси с почвой слоем 20-25 см.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве органических сорбентов используют торф, целлюлозу, лигнин, древесные опилки, измельченную кору, солому, биомассу культурных и дикорастущих растений.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что органические сорбенты вносят отдельным слоем толщиной 5-20 см, находящимся под слоем почвы или смеси почвы с минеральным сорбентом по п.3 толщиной 5-20 см.