МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ТВЁРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ НА ПОЛИГОНЕ Российский патент 2023 года по МПК B09B1/00 C02F1/62 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для поверхностной и объёмной изоляции уплотняемых слоёв твёрдых бытовых отходов, размещаемых на полигонах.

Известны такие изолирующие материалы для твёрдых бытовых отходов на полигоне, как природный грунт, шлаки, строительные отходы, битый кирпич, известь, мел, штукатурка, древесина, стеклобой, бетон, керамическая плитка, гипс, асфальтобетон (Санитарные правила СП2.1.7.1038-01 «Гигиенические требования к устройству и сохранению полигонов для ТБО», утвержденные постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 30 мая 2001 г. № 16, СЗ, п.5.2)

Недостатком известных изолирующих материалов является то, что их использование не дает в полном объеме желаемого изолирующего результата, так как они водопроницаемы и не препятствуют развитию патогенной микрофлоры в слоях твёрдых бытовых отходов и в грунте. Кроме того, они не препятствует образованию кислых вод внутри тела полигона, что вредит окружающей среде при выходе таких вод на поверхность и к корневым системам древесного и травянистого происхождения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является материал для промежуточной изоляции уплотненных слоев твердых бытовых отходов на полигоне (патент № 2521861 от 05.02.2013), характеризующийся тем, что представляет собой конечный шлак, образующийся при производстве феррованадия алюмосиликотермическим способом. Данный материал принят в качестве прототипа.

Недостатки известного материала:

- конечный продукт - шлак в виде измельчённого порошка, который представляет собой токсичную пыль в период измельчения, магнитной сепарации и в процессе образовании промежуточного слоя на поверхности полигона твердых бытовых отходов, и в процессе эксплуатации полигона. Шлак, имея щелочную среду, не обеспечивает образование монолитного покрытия и обезвреживания материала твердых бытовых отходов, шлак водопроницаем;

- способ получения материала готового к применению имеет много операций и требует использования нескольких устройств, что усложняет его применение;

- материал недостаточно монолитен как покрытие, водопроницаем, что снижает его эксплуатационные свойства;

- шлак обладает низкими вяжущими свойствами, так как охлаждается при выходе из печи с малой скоростью, образуя крупные кристаллы (Ю. М. Бутт и др., «Общая технология силикатов», М., «Стройиздат», 1976 г., с. 192);

- шлак, получаемый круглогодично, может быть использован по своими вяжущим свойствам только в летнее время в качестве изолирующего ТБО на полигонах.

Задачей изобретения является получение материала для поверхностной и объёмной круглогодичной изоляции уплотняемых слоев твердых бытовых отходов на полигоне с повышенными изолирующими свойствами, расширение арсенала технических средств для изоляции твердых бытовых отходов.

Поставленная задача решается за счет того, что материал для изоляции уплотняемых слоёв твёрдых бытовых отходов на полигоне, характеризующийся тем, что представляет собой сухой осадок, содержащий комплексные соединения ионов металлов с кальцием в вяжущем CaSО₄ * ½ H₂O, образующийся после обработки кислой шахтной воды, имеющей повышенное содержание ионов металлов и сульфата, кальцийсодержащим реагентом Ca(OH)₂ до pH среды, равного 12÷13, последующего извлечения из воды и высушивания при температуре 140 ± 10°С

Осадок, образующийся при очистке и обезвреживании сильно кислых шахтных вод, имеющих повышенное содержание ионов металлов и сульфата, преимущественно, Кизеловского угольного бассейна кальцийсодержащим реагентом, например Ca(OH)2, до рН 12÷13 и высушенный при температуре 140С±10°С, представляет собой мелкодисперсный порошок - продукт, который впервые предложен для применения в любое время года на полигоне для изоляции и запечатывания твердых бытовых отходов, предупреждения образования токсичного фильтрата в слоях ТБО.

Осадок, образующийся при очистке кислой шахтной воды с использованием кальцийсодержащих реагентов, содержит в своем составе комплексные водонерастворимые соединения. Осадок имеет IV класса опасности (Заключение № 26 -0 от 23.04.2013 г. «О классе опасности отхода - после очистки кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна», Краевое государственное бюджетное учреждение «Аналитический центр», Аттестат аккредитации РОСС Ru 0001.5111.35).

Гранулометрический состав осадка не более 2 мм, наличие влаги - не более 10 %. Цвет осадка зависит от рН раствора при осаждении комплексных соединений металлов, полноты осаждения - завершенности процесса их соосаждения. Цвет осадка изменяется от желтого, оранжевого, зеленого, голубого до темно-синего. На открытом воздухе в течение не более 3 недель цвет осадка становиться оранжево ржавый (как показали исследования вод Кизеловского угольного бассейна). Химический состав осадка представлен в таблице.

Таблица
Химический состав осадка - отхода очистки кислых шахтных вод кальцийсодержащим реагентом Ca(OH)2 при рН 12÷13 № Наименование компонента Единица измерения Значение компонента 1 Аммиак и аммоний - ион (по азоту) мг/кг 52,130 2 Вода мг/кг 712 798,635 3 Бериллий мг/кг 0,860 4 Хром мг/кг 3,460 5 Цинк (Zn²⁺) мг/кг 10,800 6 Алюминий мг/кг 508,000 7 Барий мг/кг 13,900 8 Бор мг/кг 2,140 9 Железо мг/кг 75300,00 10 Калий мг/кг 461,000 11 Кальций мг/кг 114000,000 12 Кобальт (Со²⁺) мг/кг 2,450 13 Кремний (Si) мг/кг 400,000 14 Литий мг/кг 0,430 15 Магний мг/кг 159,500 16 Марганец мг/кг 144,000 17 Медь мг/кг 245,000 18 Натрий мг/кг 83,000 19 Нефть и нефтепродукты мг/кг 0,705 20 Никель (Никель металлический, катион Ni²⁺) мг/кг 6,7000 21 Свинец мг/кг 0,690 22 Сера элементная мг/кг 95600,000 23 Стронций мг/кг 19,700 24 Хлориды (по Cl) мг/кг 186,900

Предлагаемый осадок в настоящее время не утилизируется.

В патентах №№415238, 2293063, 2768871, 1606462, 2690330 описывается процесс очистки кислой шахтной воды от ионов металлов и других загрязнителей. Осадок, полученный согласно способам, раскрытым в указанных патентах, нигде не используют. Имеются рекомендации по использованию в промышленности, строительстве без конкретных данных по его внедрению в этих направлениях. По очистке кислой шахтной воды рекомендации даны для незначительных концентраций по ионам металлов, рН рекомендовано не более 9. При значении рН равным 9 не все ионы металлов осаждаются в полном объеме. Вода остается токсичной и не может быть сброшена в открытый водоем. К тому же, рекомендуют очищать кислые шахтные воды с малым содержанием ионов металла и сульфатной составляющих с использованием способа неполного осаждения ионов металлов из воды. В основном осадок получают при рН раствора не более 9 с щелочным реагентом в виде Ca CO3 или отходом содового производства.

Предлагаемый же осадок, полученный при очистке кислой шахтной воды, преимущественно Кизеловского угольного бассейна, кальцийсодержащим реагентом Са(ОН)₂ при рН 12÷13 с последующим отделением от жидкости и высушиванием при температуре 140 ± 10°С°С, - это смесь соосаждённых в воде комплексных нерастворимых соединений металлов с кальцием и совокупностью вяжущих веществ.

В настоящее время осадок, полученный в результате очистки кислых шахтных вод от металлов в полном объеме при рН 12÷13, освобождением от воды и подсушиванием при температуре 140° ± 10°С не применялся и не применяется на полигонах с твердыми бытовыми отходами. Неожиданно выяснилось, что возможно применение осадка на полигоне в качестве поверхностной и объемной защиты твёрдых бытовых отходов.

Осадок - материал для образования прочных покрытий тела полигона и прочных слоев в теле полигона. Он препятствует доступу птиц, грызунов, насекомых в рабочее тело полигона, препятствует поступлению кислорода воздуха, а так же атмосферной воды, что купирует процессы гниения, процессы образования зловонных запахов. Надежно изолирует твёрдые бытовые отходы от контакта с водой (вода необходима только в начальный период затвердения осадка).

На фиг. 1 представлена микроструктура осадка в процессе образования после очистки кислой шахтной воды кальцийсодержащими реагентами до pH= 12÷13.

На фиг. 2 - микроструктура осадка после высушивания при температуре 140° ± 10°С.

На фиг. 3 - микроструктура осадка после затворения с твердыми бытовыми отходами.

Материал (фиг. 1, 2) для изоляции, как верхнего слоя покрытия, так и объема каждого уплотняемого слоя твёрдых бытовых отходов на полигоне получают из осадка, который образовался при очистке кислой шахтной воды.

Для осуществления процесса полного осаждения всех ионов металлов в кислую шахтную воду вводят кальцийсодержащий реагент Ca(OH)₂. Кислую шахтную воду постепенно переводят из сильно кислой (рН=2,8) в сильно щелочную (pH= 12÷13). Происходит полное соосаждение всех металлов, несмотря на их различие в концентрации. При этом выпадает осадок, представляющий собой комплексные водонерастворимые соли кальция и металлов в присутствии совокупности вяжущих веществ (фиг.1). Осадок отделяют от воды; подсушивают при температуре 140 ± 10°С и складируют как отход производства очистки кислой шахтной воды (фиг. 2).

Осадок представляет собой готовый к применению материал для изоляции твердых бытовых отходов на полигоне (фиг. 3).

Как показали исследования, имеющиеся в кислых водах угольных шахт «Шахта 40 лет ВЛКСМ» г. Кизел и «Шахта им. Ленина» г. Кизел, ионы металлы осаждаются полностью:

Al при рН 12,0; Mn при рН 6,72; Fe²⁺ при рН 11,7; Be при рН 12,1; Co при рН 12,1; Ni при рН 10,7; Zn при рН 6,75; Mg при рН 11,7.

Очистка кислой шахтной воды от ионов металлов происходит при рН 12÷13, что обеспечивает полное соосаждение всех ионов металлов.

Осадок представляет собой комплексные соли кальция и металлов, которые не имеют водорастворимой части. В состав осадка также входит природная совокупность вяжущих веществ. Сушка активирует вяжущие свойства осадка.

Осадок, полученный из кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна, освобождают от воды, высушивают при температуре 140 ± 10°С.

Сушка при температуре 140 ± 10°С обеспечивает вяжущему повышенную прочность. При температуре ниже 130 °С процесс упрочнения не закончен, а выше 150 °С -энергетически не выгодно.

Высушенный осадок пригоден к транспортировке и использованию в качестве материала для запечатывания полигонов твердых бытовых отходов.

Получают осадок - материал в виде готового продукта IV класса опасности, который можно использовать в качестве изолирующего материала твердых бытовых отходов на полигоне, так как он приобретает свойство прочного вяжущего, при перемешивании с твёрдыми бытовыми отходами.

Полученный осадок содержит смесь необратимо водонерастворимых комплексных соединений и совокупность вяжущих веществ. В избытке щелочи реакции идут с образованием комплексных солей по схеме, например:

Fe SO ₄ + Ca (OH)₂ => Fe (OH)_{2 ↓} + CaSO_{4 ↓}

Fe (OH)₂ + Ca (OH)₂ => Са₃ [Fe(OH)₆]_{2 ↓} + H₂O при избытке щелочи

Al₂(SO₄)₃ + Ca (OH)₂ => Al(OH)_{3 ↓} + CaSO_{4 ↓}

Al(OH)₃ + Ca (OH)₂ => Са [Al(OH)₄]_{2 ↓} + H₂O при избытке щелочи

Al(OH)₃ + Ca (OH)₂ => Са₃ [Al(OH)₆]_{2 ↓} + H₂O при дальнейшем избытке щелочи

В процессе химических реакций при очистке кислой шахтной воды в избытке щелочи Ca(OH)₂ при рН 12÷13 образуются водонерастворимые комплексные соединения солей кальция с металлами в присутствии совокупности вяжущих веществ. Все это выпадает в осадок. После высушивания осадок представляет собой смесь комплексных водонерастовримых солей кальция с металлами и активных вяжущих веществ в виде:

Са₃ [Fe(OH)₆]₂ - гексагидроксоферрит кальция

(гексагидроксоферрат III кальция)

Са₃ [Al(OH)₆]₂ - гексагидроксоалюминат кальция

Са [Al(OH)₄]₂ , тетрагидроксоалюминат кальция

в CaSО ₄ * ½ H2O

Са[Zn(OH)₄] - тетрагидроксоцинкат кальция

Ca[Be(OH)₄] - тетрагидроксоверилат кальция

Ca[Pb(OH)₄] - тетрагидроксоплюмбит кальция

Материал - осадок имеет IV класса опасности. (Заключение № 26 -0 от 23.04.2013 г. «О классе опасности отхода - после очистки кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна», Краевое государственное бюджетное учреждение «Аналитический центр», Аттестат аккредитации РОСС Ru 0001.5111.35).

Осадок перемешивают с поступающими на полигон твердыми бытовыми отходами, при соотношении компонентов в частях: твердые бытовые отходы к осадку как 4:1. Слои уплотняют.

Возможен вариант перемешивания твердых бытовых отходов с сухим осадком после очистки кислых шахтных вод объемным методом с последующим уплотнением. При попадании влаги в тело полигона происходит затворение вяжущих веществ с переходом в твердое состояние. Твердые бытовые отходы вместе с сухим осадком поглощают влагу, попавшую в тело полигона с образованием твердого камня. Атмосферные осадки не перемешиваются с твердыми бытовыми отходами и не дренируются из-под тела полигона. Пути фильтрации атмосферных вод надежно перекрываются. Тело полигона изолируется от поступления воздуха, что препятствует гниению отходов, образованию взрывоопасных и токсичных газов. Ликвидируется специфический запах полигона. Омоноличивание слоев происходит быстро по мере увлажнения нижележащих слоев. Их омоноличивание приводит к снижению водопотребления и фильтрационной способности полигона в целом.

Возможен вариант создания послойного внесения осадка как в сухом так и в смоченном состоянии. В смоченном состоянии осадок образует твердый камень, препятствующий проникновению воды и воздуха в тело полигона. Происходит омоноличивание слоев за счет быстрого схватывания вяжущего в изолирующем материале и упрочнения до 65÷75 МПА и выше.

При этом, в объеме тела полигона для бытовых отходов при увлажнении сухого изолирующего материала гидрооксид железа, гидроксоферрит, гидроксоферрат и марганец захватывают легко и прочно связывают в нерастворимые комплексные соединения NI, Co, Mg, Cu, Cr, V (как неожиданно выяснилось из экспериментов). Следовательно, обезвреженный отход (осадок) от очистки кислых шахтных вод не только изолирует, но и обеззараживает твердый бытовой отход, поступающий на полигон, который содержит названные загрязняющие вещества.

Объемное омоноличивание прочно «замуровывает» в теле полигона бытовые отходы. Поэтому такой полигон может быть использован в дальнейшем как площадка для строительства нежилых помещений, строений.

При увлажнении осадка в поверхностных слоях ТБО на полигоне образуется покрытие, которое быстро омоноличивает слой и служит саркофагом для твердых бытовых отходов.

Совокупность вяжущих веществ в осадке, полученного при очистке и обезвреживании кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна, состоит из CaSО₄ * ½ H₂O и комплексных солей алюминия - гидроксоалюминатов кальция. Совместно же данные вещества могут образовывать двойные основные сульфаты кальция-алюминия Ca6Al2(OH)12(SO4)3⋅26H2O и Ca4Al2(OH)12SO4⋅6H2O, что может служить объяснением процесса твердения с получением высокопрочного камня.

Осадок обеспечивает постоянство щелочной среды, что благоприятно влияет на окружающую среду, гарантируя надежную прочую изоляцию отходов от патогенной микрофлоры в теле полигона, обеззараживает кислую воду от металлов, предотвращает процессы гниения.

Предлагаемый материал - осадок образованный при очистке кислых шахтных вод от металлов - пригоден для изоляции твердых бытовых отходов на полигоне, не требует специального оборудования для его получения, прост в применении. Предлагаемый материал не требует сложной подготовки к применению, так как представляет собой в воде дисперсный материал. Он остаётся им и после освобождения от воды и высушивания при температуре 140 ± 10°С.

В соответствии с СП.2.1.7.1038-01 «Гигиенические требования к устройству и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов» полученный материал удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам, предназначенным для пересыпки уплотняемых слоев ТБО и для перемешивания с материалом изоляции твердых бытовых отходов.

После получения материала были проведены исследования согласно СП.2.1.7.1386-03 «Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов производства и потребления» в Центре аналитических исследований и метрологического обеспечения экологических измерений.

Получено заключение об отнесении предлагаемого материала для объемного перемешивания с ТБО к 4 классу опасности. Содержание в водной вытяжке токсичных веществ находится на уровне ПДК и ниже.

Предлагаемый материал может быть использован круглогодично в качестве изолирующего твердые бытовые отходы на полигоне, так как кислая вода из шахты не замерзает, изливается постоянно, попадая непосредственно в накопитель, где и обрабатывается кальций содержащим щелочным реагентом, например Са(ОН)₂, до рН равным 12÷13. Осадок после высушивания до 140 ± 10°С, приобретает свойство высокопрочного вяжущего вещества быстрого твердения, что позволяет в процессе последующего перемешивания каждого слоя твёрдого бытового отхода и их уплотнения на полигоне, получить композит из сухого осадка и материала твёрдого бытового отхода с повышенными адгезионными связями частиц друг к другу.

В результате получения материала для изоляции твёрдых бытовых отходов обеспечено расширение функциональных возможностей продуктов обработки сильно кислых шахтных вод кальцийсодержащим реагентом, проведение очистки, обеззараживание токсичной шахтной воды до уровня ПДК:

- впервые предложено вести процесс очистки кислой шахтной воды при рН 12÷13. В результате очистки кислой шахтной воды кальций содержащим реагентом при pH = 12÷13 и высушивании при температуре до 140 ± 10°С получен материал в виде сухого осадка имеющий 4 класс опасности;

- впервые получен результат полного соосаждения всех металлов из кислой шахтной воды с использованием кальцийсодержащего реагента при значении pH равным 12÷13;

- впервые предложено использование осадка, образующегося при очистке кислых шахтных вод, в качестве изолирующего материала для твёрдых бытовых отходов на полигоне;

- полученный отход - осадок при очистке кислых шахтных вод может использоваться круглогодично в любом регионе, как готовый продукт, расфасованный и герметично упакованный, как любые сухие смеси;

- полученный материал (фиг. 1, 2) предложен к применению как защитный (фиг. 3) при захоронении твердых бытовых отходов на полигоне, расширяя арсенал технических средств, ранее используемых для этих целей.

Применение заявляемого материала обеспечивает предотвращение образования кислых вод в объёме тела полигона, предотвращение гниения твердых бытовых отходов, отведения атмосферных осадков в систему их дренажа без задержки в теле полигона.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для поверхностной и объемной изоляции уплотняемых слоев твердых бытовых отходов, размещаемых на полигонах. Материал для изоляции уплотняемых слоев твердых бытовых отходов на полигоне представляет собой сухой осадок, содержащий комплексные соединения ионов металлов с кальцием в вяжущем CaSO₄ * ½ H₂O, образующийся после обработки кислой шахтной воды, содержащей ионы металлов и сульфата, кальцийсодержащим реагентом Ca(OH)₂ до pH среды, равного 12-13, последующего извлечения из воды и высушивания при температуре 140±10°С. Изобретение позволяет получить материал для поверхностной и объемной круглогодичной изоляции уплотняемых слоев твердых бытовых отходов на полигоне с повышенными изолирующими свойствами. Расширяется арсенал технических средств для изоляции твердых бытовых отходов. 3 ил., 1 табл.

Материал для изоляции уплотняемых слоёв твёрдых бытовых отходов на полигоне, характеризующийся тем, что представляет собой сухой осадок, содержащий комплексные соединения ионов металлов с кальцием в вяжущем CaSО₄ * ½ H₂O, образующийся после обработки кислой шахтной воды, содержащей ионы металлов и сульфата, кальцийсодержащим реагентом Ca(OH)₂ до pH среды, равной 12÷13, последующего извлечения из воды и высушивания при температуре 140±10°С.