Способ создания накопителя отходов Российский патент 2023 года по МПК E02B3/16 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при создании накопителей бытовых и промышленных отходов.

Известен способ создания накопителя отходов, включающий отсыпку дренирующего слоя грунта, укладку противофильтрационного экрана из глинистого грунта или полимерных материалов, отсыпку защитного слоя грунта и контроль герметичности экрана (Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. ЦИТП Госстроя СССР. 1990, с.22-24 аналог). Контроль герметичности осуществляют путем наполнения накопителя водой и наблюдения за изменением уровня или притоком воды в дренажную систему под экраном. При обнаружении утечек воду из накопителя откачивают, со всего экрана снимают защитный слой, выполняют поиск и устранение дефектов.

Определить местоположение дефектов в экране в ходе испытаний можно по пузырькам, поднимающимся через слой воды, при нагнетании воздуха в дренирующий слой под экраном (Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. ЦИТП Госстроя СССР. 1990 аналог). Способу свойственна невысокая точность определения расположения дефектов. Кроме того, обычная дренажная система не отличается полной герметичностью, поэтому нагнетанием воздуха в нее не удастся обеспечить повышение давления под экраном до значений, достаточных для прорыва воздуха через экран и слой воды.

Частично решить проблему выявления дефектов позволяет способ контроля противофильтрационной эффективности двухслойного экрана, в котором дренирующий слой и чашу накопителя разбивают на секции грунтовыми перемычками, а наполнение водой, нагнетание воздуха под экран и устранение обнаруженных дефектов ведут по секциям (Авторское свидетельство CCCP №1564258 А1, МПК Е02 В3/16, 1990 аналог). Недостатком способа является большой объем работ по устройству и последующему удалению грунтовых перемычек и сложность обеспечения герметичности каждой из секций дренирующего слоя.

Контроль сплошности экрана может осуществляться путем измерения электропроводности защитного и дренирующего слоев грунта с помощью электродов, размещаемых по всей их площади (Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. ЦИТП Госстроя СССР. 1990; Авторское свидетельство CCCP №1056332 А, МПК Е02 В3/16, 1983 - аналоги). Известны также способы, основанные на контроле влажности грунта под экраном с помощью сети датчиков влажности или электрических кабелей с полупроницаемой оболочкой (Survey of technologies for monitoring containment liners and covers/ US Environmental Protection Agency/ Report 542-R-04-013. 2004. 44 p.аналог). Указанные системы контроля отличаются высокой стоимостью, так как для точного определения координат дефектов необходима густая сеть электродов или датчиков.

При выявлении утечек одним из описанных способов после удаления жидкости вскрывают защитный слой, уточняют расположение дефектов в экране и устраняют их, затем проводят повторное испытание и восстанавливают защитный слой. Для сокращения сроков подготовки накопителя к приему отходов предложено несколько способов восстановления целостности экрана в процессе испытаний или эксплуатации накопителя.

Известен способ замоноличивания сквозных дефектов в пленочном противофильтрационном экране грунтового гидротехнического сооружения, включающий погружение через слой жидкости прижимного устройства, работающего по принципу кессона, уплотнение подстилающего экран слоя грунта, подъем экрана за счет снижения давления в прижимном устройстве и пробивку в нем технологических отверстий, нагнетание противофильтрационного состава в полость под экраном (Авторское свидетельство CCCP №1435685 А1, МПК Е02 В3/16, 1988 аналог). При реализации способа сложно определить точное место и размеры дефекта, а также обеспечить герметичность контакта прижимного устройства и экрана.

Известен способ восстановления экрана путем нагнетания герметизирующего состава через трубчатые инъекторы, заранее размещенные в отделенных друг от друга секциях дренажного слоя (US patent №4753551, 1988 аналог). Реализация способа связана с выполнением трудоемких операций по отсыпке дополнительного дренажного слоя и монтажу системы трубчатых инъекторов.

В способе повышения надежности накопителя жидких отходов промышленных предприятий к месту появления дефекта доставляют рулон полотнища полимерного материала, погружают полотнище на дно отстойного пруда и пригружают отходами в мешках (Патент РФ №2442857, МПК Е02 В 7/06, 2012 аналог). Недостатком способа является отсутствие надежного контакта между полотнищем и экраном, так как поверхность экрана покрыта защитным слоем грунта и осевшими частицами, содержащимися в складируемых отходах.

Известен способ герметизации противофильтрационного экрана под водоемом после отработки карьера, в котором через скважины, пробуренные из подземных выработок в нижнюю часть экрана нагнетают цементный раствор под давлением, превышающим гидростатическое, а после его затвердевания тампонируют локальными инъекциями синтетических смол (Патент РФ №2551585, МПК Е21 В 33/138, 2015 аналог). Способу присущи высокие трудозатраты и стоимость, что ограничивает его применение лишь для герметизации глубоких рудных карьеров, а не защиты основания рядовых накопителей отходов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ создания накопителя токсичных отходов на сильно деформируемом основании, включающий отсыпку дренирующего грунта, укладку и проверку герметичности водонепроницаемого экрана, отсыпку защитного слоя, в котором проверку герметичности выполняют путем последовательного выполнения операций сканирования основания с поверхности экрана с помощью физических измерений, подачи в накопитель индикаторной жидкости, ее выдержки, последующей откачки и повторного сканирования основания с помощью физических измерений (Патент РФ №2611167, МПК Е02 В 3/16, 2017 прототип). В качестве физических измерений могут использоваться магнитометрическая съемка или измерение активности, а в качестве индикаторной жидкости феррожидкость или раствор соединения короткоживущего радиоактивного элемента, соответственно. Недостатком способа являются затраты на операции двукратного сканирования основания до и после подачи в накопитель индикаторной жидкости, устранение дефектов в экране, повторную подачу индикаторной жидкости.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности накопителя за счет обеспечения целостности водонепроницаемого экрана, а также сокращение сроков ввода накопителя в эксплуатацию благодаря совмещению операций проверки герметичности экрана и устранения имеющихся дефектов.

Это достигается тем, что в способе создания накопителя отходов, включающем подготовку основания путем отсыпки дренирующего грунта, укладку водонепроницаемого экрана, отсыпку защитного слоя грунта, подачу в накопитель и последующую откачку жидкости для проверки герметичности экрана, в качестве жидкости используется суспензия высокодисперсной глины, в дренирующий грунт и грунт защитного слоя в ходе отсыпки, а в жидкость перед откачкой вносится флокулянт. В качестве суспензии высокодисперсной глины могут использоваться сапонитсодержащие отходы обогащения кимберлитовой руды, в качестве флокулянта, вносимого в грунты, - мел, а в качестве флокулянта, вносимого в суспензию высокодисперсной глины, - портландцемент в количестве 0,41,2% от массы суспензии.

Способ иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция ложа накопителя после проведения испытаний при отсутствии дефекта в экране, на фиг.2 то же при наличии дефекта. Динамика седиментации и внешний вид проб суспензии после отстаивания в течение 172 минут представлены на фиг.3 и фиг.4 соответственно, где цифрами обозначены номера опытов.

Способ осуществляют следующим образом.

После возведения по контуру накопителя ограждающей дамбы на грунтовое основание 1 отсыпается и уплотняется дренирующий грунт 2 с добавкой флокулянта, затем укладывается водонепроницаемый экран 3 из местной глины или полимерного материала, называемого обычно геомембраной. Выполнив укладку защитного слоя грунта 4 с добавкой флокулянта, приступают к проверке герметичности экрана. В чашу накопителя подают заранее приготовленную суспензию высокодисперсной глины 5 и устраивают технологический перерыв.

Если уровень суспензии в накопителе остается постоянным и отсутствует ее приток в дренирующий слой, в суспензию вносят флокулянт. Под действием флокулянта образуются агрегаты глинистых частиц, которые, оседая в чаше накопителя, формируют на поверхности защитного слоя водонепроницаемое покрытие 6, служащее вторым дополнительным слоем изоляции основания от проникновения фильтрата из накопителя. Осветленную воду откачивают из накопителя.

При наличии дефектов в экране, например, линз песка 7 в глинистом экране или отверстий в геомембране, суспензия 5 фильтруется через защитный слой грунта 4, линзу или отверстие и проникает в слой дренирующего грунта 2. Кольматация пор частицами высокодисперсной глины приводит к формированию выше и ниже экрана зон ограниченных размеров в плане 8 и 9, соответственно, с низкой водопроницаемостью. Эффект кольматации пор усиливается и ускоряется благодаря воздействию заранее внесенного в грунты флокулянта, вызывающего агрегацию частиц высокодисперсной глины. Таким образом дефект в экране тампонируется. При сохранении постоянного уровня суспензии и отсутствии притока в дренирующий слой в суспензию вносят флокулянт. На поверхности защитного слоя оседающие частицы образуют водонепроницаемое покрытие 6. Осветленную воду откачивают из накопителя, завершая тем самым испытания. В случае необходимости суспензию можно дополнительно подавать в накопитель, поддерживая заданный напор.

После успешного проведения совмещенных операций проверки герметичности экрана и устранения имеющихся дефектов накопитель вводят в эксплуатацию.

Известно, что песок с добавкой 15% и более высокодисперсной глины (бентонита) имеет практически тот же коэффициент фильтрации, что и сама высокодисперсная глина, а смесь с 5-15% глины используется для изоляции накопителей (R.P. Chapuis. The 2000 R.M. Hardy Lecture: Full-scale hydraulic performance of soil-bentonite and compacted clay liners. Canadian Geotech. J. 2002, №39, р. 417-439 https://cdnsciencepub.com/doi/10.1139/t01-092). По данным A.F. Ghazy оптимальное содержание бентонита при приготовлении смесей с песками различного гранулометрического состава составляет 5-10% (A.F. Ghazi. Engineering characteristics of compacted sand-bentonite mixtures/M. thesis. Edith Cowan Univ. 2015. 84 p.https://ro.ecu.edu.au/theses/1615). Считается, что минимальное содержание бентонита в искусственно приготовленной смеси для ее применения на свалках составляет 1,5% (LFE10 Using bentonite enriched soils in landfill engineering. UK Environment Agency. 24 June 2014/ 51 p.https://www.gov.uk/government/publications/using-bentonite-enriched-soils-in-landfill-engineering-lfe10).

Уровень суспензии в накопителе при проверке герметичности следует назначать из условия обеспечения такой скорости ее фильтрации через защитный слой и слой дренирующего грунта, чтобы частицы высокодисперсной глины не выносились в основание. Указанная скорость зависит, кроме уровня суспензии, от гранулометрического состава и плотности грунта в указанных слоях, концентрации суспензии и др. Эту скорость можно определить экспериментально, например, в фильтрационных приборах. Концентрация и тип флокулянта также должны определяться экспериментально.

Кроме суспензии бентонита при реализации способа могут использоваться жидкие промышленные отходы горнодобывающей промышленности. В частности, на предприятиях алмазодобывающей промышленности Архангельской области не находят применения техногенные грунты хвосты обогащения кимберлитовой руды, содержащие в своем составе сапонит высокодисперсный глинистый минерал. Суспензия глинистой фракции, обладающей высокой физико-химической активностью, занимает значительные объемы хвостохранилища, а ее осветление происходит крайне медленно. Поэтому в качестве суспензии высокодисперсной глины могут применяться отходы обогащения кимберлитовой руды из пруда-отстойника хвостохранилища.

Ниже приведены результаты экспериментов, подтвердивших возможность реализации способа. Через образцы мелкого песка фильтровалась сапонитсодержащая суспензия из пруда-отстойника хвостохранилища.

В качестве вносимого в грунт флокулянта могут использоваться нашедшие широкое применение вещества, например, сульфат алюминия, сульфат железа, хлорид железа и др. В наших экспериментах использовался мел, не представляющий опасности загрязнения грунтовых вод. Известно, что ионы кальция способствуют агрегации глинистых частиц (Грунтоведение /Под ред. Е.М. Сергеева М.: Изд-во Московского университета, 1983. 392 с.).

Пример 1. Испытания проводились на образцах мелкого песка диаметром 73 мм и высотой 145 мм при двух характерных для дренирующих и защитных слоев ложа накопителя значениях коэффициента уплотнения 0,900,92 и 0,930,96. Концентрация отобранной из прудаотстойника хвостохранилища суспензии составляла 0,580,63%. Твердая фаза была представлена преимущественно частицами размером менее 0,001 мм.

Первая серия экспериментов проводилась на образцах песка, вторая на образцах песка с добавкой мела (CaCO₃) в количестве 3 и 5% от массы сухого песка. Мел предварительно измельчался и просеивался на сите с размером отверстий 0,1 мм.

Насытив образцы водой, определяли исходное значение коэффициента фильтрации. Затем через образцы пропускали суспензию со скоростью 3,5 м/сут и более, при которой не происходит осаждение глинистых частиц на пористом диске, размещенном на верхнем торце образца. Указанная скорость была найдена опытным путем. Суспензию пропускали в течение 1 часа с постепенно возрастающим градиентом напора. Испытания завершались повторной фильтрацией воды. Каждая серия экспериментов повторялась два-три раза.

Результаты экспериментов приведены в таблице 1, где обозначено: K_com коэффициент уплотнения образцов, k₀ - исходный коэффициент фильтрации, k_m коэффициент фильтрации после пропуска суспензии, n отношение k₀/k_m.

Таблица 1. Влияние кольматации пор глинистыми частицами на водопроницаемость образцов песка Грунт K_com k₀, м/сут k_m, м/сут n Песок 0,90…0,92 2,05 0,99 2,1 0,93…0,95 1,85 0,96 1,9 Песок,
3% CaCO₃ 0,91…0,92 1,58 0,05 29,9 0,94…0,95 1,30 0,08 15,3 Песок,
5% CaCO₃ 0,91…0,92 1,11 0,03 38,5 0,93…0,95 0,67 0,03 25,9

Эксперименты с образцами песка показали снижение коэффициента фильтрации после пропуска суспензии всего лишь в 1,85 и 2,05 раза. Причиной столь малого эффекта послужил вынос потоком воды глинистых частиц из образцов уже при градиенте напора 0,25.

Присутствие флокулянта привело к несущественному снижению водопроницаемости песка, так коэффициент фильтрации образцов с добавкой мела 3 и 5% оказался в 1,31,4 и 1,82,8 раза меньше, чем у образцов без добавки, соответственно. При фильтрации суспензии вынос глинистых частиц из образцов не наблюдался. Кольматация пор глинистыми частицами привела к снижению водопроницаемости - в 15,338,5 раза. При увеличении продолжительности пропуска суспензии через образцы эффект кольматации будет усиливаться.

Таким образом, эксперименты показали, что в качестве суспензии высокодисперсной глины могут использоваться сапонитсодержащие отходы обогащения кимберлитовой руды, а мел, вносимый в грунт в качестве флокулянта, обеспечивает надежную кольматацию пор при фильтрации суспензии.

Пример 2. Испытания по седиментации частиц высокодисперсной глины проводились на пробах суспензии, отобранной из пруда-отстойника хвостохранилища. Концентрация суспензии находилась в пределах от 0,24 до 0,67% (2,4 - 6,7 г/л). Объем проб составлял 25 мл. В качестве флокулянта использовался портландцемент в количестве от 0,4 до 1,2% от массы суспензии. Продолжительность наблюдений составляла 172 минуты.

Результаты, приведенные в таблице 2, на фиг.3 и на фиг.4, свидетельствуют об эффективности использования указанной добавки - слой воды над суспензией в конце экспериментов был прозрачным и бесцветным. В контрольном опыте, где концентрация глинистых частиц в суспензии составляла 0,67%, седиментация глинистых частиц за время наблюдений была крайне медленной (номер VI на фиг.4). Заметим, что внесение цемента обеспечивает не только быстрое осветление воды, но еще и формирование структурных связей между частицами в слое 6.

Таблица 2. Объем осветленной воды (мл) через 172 минуты после внесения портландцемента в суспензию Добавка
портландцемента
в % от массы
суспензии Концентрация суспензии, % 0,24 0,51 0,67 0,4 22,0 (I) - 19,4 (II) 0,9 - 20,8 (V) - 1,2 22,4 (III) - 19,2 (IV)

Примечание: в скобках указаны номера опытов

Предлагаемый способ позволяет повысить эксплуатационную надежность накопителя отходов за счет обеспечения целостности водонепроницаемого экрана, а также сократить сроки ввода накопителя в эксплуатацию благодаря совмещению операций проверки герметичности экрана и устранения имеющихся дефектов.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано при создании накопителей бытовых и промышленных отходов. Способ включает подготовку основания путем отсыпки дренирующего грунта, укладку водонепроницаемого экрана, отсыпку защитного слоя грунта, подачу в накопитель и последующую откачку жидкости для проверки герметичности экрана, при этом в качестве жидкости используется суспензия высокодисперсной глины, в дренирующий грунт и грунт защитного слоя в ходе отсыпки вносят флокулянты, а в суспензию высокодисперсной глины, после ее подачи в накопитель, вносят портландцемент в количестве 0,4-1,2% от массы суспензии. В качестве суспензии высокодисперсной глины могут использоваться сапонитсодержащие отходы обогащения кимберлитовой руды, в качестве флокулянта, вносимого в грунты, - мел. Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность накопителя отходов за счет обеспечения целостности водонепроницаемого экрана, а также сократить сроки ввода накопителя в эксплуатацию благодаря совмещению операций проверки герметичности экрана и устранения имеющихся дефектов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 пр., 2 табл.

1. Способ создания накопителя отходов, включающий подготовку основания путем отсыпки дренирующего грунта, укладку водонепроницаемого экрана, отсыпку защитного слоя грунта, подачу в накопитель и последующую откачку жидкости для проверки герметичности экрана, отличающийся тем, что в дренирующий грунт и грунт защитного слоя в ходе отсыпки вносят флокулянты, а в качестве жидкости используют суспензию высокодисперсной глины, в которую вносят, после ее подачи в накопитель, портландцемент в количестве 0,4-1,2% от массы суспензии, после чего осветленную воду откачивают из накопителя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве суспензии высокодисперсной глины используют сапонитсодержащие отходы обогащения кимберлитовой руды.