CC BY
42
© М.А. Пашкевич, Е.В. Елдина, 2005
УДК 622.014.3:502.76
М.А. Пашкевич, Е.В. Елдина
СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОГО КОМПЛЕКСА
Семинар № 7
тходы производства и потребления являются источником антропогенного загрязнения природной среды в глобальном масштабе. Проблема отходов возникла как неизбежный результат потребительского отношения к природным ресурсам и непозволительно низкого коэффициента использования минерального сырья. Отходы в больших количествах образуются во всех базовых отраслях промышленности, в минерально-сырьевом комплексе, сельском хозяйстве, энергетике, строительстве, транспорте. В нашей стране так или иначе переходят в отходы 90-95 % добываемого из недр сырья.
В настоящее время сформировались следующие основные варианты экозащитных систем:
1. Локальная аэро- и гидроизоляция и стабилизация опасных промотходов путем обработки отвердевающими составами.
Стабилизация отходов основана на использовании полимеров, органических и неорганических поверхносто-активных веществ (ПАВ). В частности, система «дисперсионная среда (полимер) - твердая фаза (минерал)» используется для стабилизации коагуляционных структур и управления водно-физическими свойствами почв.
Способы отверждения путем связывания с бетонными смесями и металлургическими шлаками используются для обезвреживания и захоронения мышьяксодержащих и других высокотоксичных отходов. Для стабилизации твердых остатков металлургических газов и сжигания бытовых отходов, содержащих ртуть, кадмий, свинец и другие тяжелые металлы, предложено использовать хелато-образующие полимеры.
Стабилизация отходов позволяет повысить степень надежности при их длительном хранении и снижает капитальные затраты на строительство полигонов для захоронения чрезвычайно и высокотоксичных веществ.
2. Укрытие отходов нанесением на поверхности их отвалов пленкообразующих или пылезакрепляющих составов, сооружения специальных укрытий (саркофагов).
Способы обезвреживания и консервации токсичных отвалов путем нанесения твердеющих составов выполняют роль противоэрози-онно-противофильтрационных экранов и предотвращают перенос водорастворимых и пылеобразующих веществ в природную среду. Известны биологические и химические методы создания защитных покрытий.
При биологической рекультивации на поверхности отвалов (откосов) создают дерновый слой и засевают многолетние злаковые травы. Этот метод требует соблюдения строгих агротехнических условий и используется для облагораживания экополигонов.
Для химического закрепления пылящих поверхностей предложены различные органические связующие составы: карбамидная, мочевинофенолформальдегидная и полиамидная смолы, нефтяной и хлопковый гудроны, сульфидно-дрожжевая бражка, нитролигнин. Применение химических закрепителей зависит от конкретных условий: вида и свойств отходов, преследуемых целей, климатических факторов и т.д. Многие из полимерных составов малодоступны и дороги.
Следующую группу методов защиты пылящих поверхностей составляют механические, основанные на использовании тяжелых грунтов - суглинков, щебня и гравия, а также бетонных плит, специальных пленок.
3. Захоронение неутилизируемых отходов путем сооружения специальных закрытых емкостей или карт (полигонов).
В мировой практике известны следующие варианты удаления - складирования и захоронения опасных промотходов:
а) строительство специального наземного полигона;
б) сооружение подземных емкостей или использование полостей горных выработок;
в) спускание отходов в контейнерах на дно морей и океанов;
г) вывод отходов на околоземную орбиту.
Каждый из указанных вариантов имеет
особенности, достоинства и недостатки в соответствии со своими технико-экономи-ческими показателями и степенью надежности. Два последних варианта опасны тем, что антропогенное загрязнение может выйти за пределы территории складирования.
На данный момент накоплен опыт строительства подземных емкостей для хранения природных и сжиженных газов, нефти, нефтепродуктов в отложениях каменной соли, в газонепроницаемых и плотных горных породах, в отработанных шахтах. Подземные емкости на глубине 100-120 м сооружаются энергией ка-муфлетного взрыва.
Необходимость ликвидации большого количества вновь образующихся и накопленных промотходов вынудила многие страны пойти по пути создания природоохранных полигонов. Антропогенная нагрузка природы такова, что возможность естественного обезвреживания отходов путем их разбавления, биохимического разложения и ассимиляции постепенно исчерпываются. Таким образом, современные полигоны должны осуществлять весь комплекс методов переработки, утилизации, обезвреживания и захоронения разнообразных по составу промышленных и бытовых отходов.
Однако реальное воплощение таких предприятий зависит от капиталовложений. При этом эко-защитная эффективность полигона предопределяется уровнем его технической оснащенности, технологией подготовки и переработки отходов. Вопросы переработки неорганических отходов успешно решаются физикохимическими (например, демер-
куризация ртутьсодержащих отходов) и химико-технологическими (извлечение цветных металлов) методами. А вот методы сжигания отходов не удовлетворяют экологическим требованиям по двум причинам: во-первых, образуют вторичное загрязнение природной среды вредными газовыми выбросами, во-вторых, в твердых остатках концентрируются некоторые токсичные компоненты (тяжелые металлы, диоксины и др.). Достойной альтернативой термическим методам обезвреживания отходов является биологическое разложение органических веществ с получением биогазов.
В результате можно сделать вывод, что экологические и технологические аспекты проблемы опасных отходов охватывают широкий круг вопросов. Общая схема ликвидации отходов зависит от конкретных ситуаций.
Для разработки мероприятий по снижению экологической опасности в зоне воздействия техногенных массивов в каждом конкретном случае предлагается осуществлять многовариантное сравнение результатов оценки риска для рассматриваемой ситуации с соответствующими критериями (рис. 1).
После этого сравнения находятся варианты снижения риска, каждый из которых оценивается с учетом затрат на его реализацию. Оценка вариантов является итеративной операцией, она повторяется до тех пор, пока не будет выбрано оптимальное решение.
Снижение риска техногенного воздействия хранилищ отходов на окружающую их среду может быть достигнуто мероприятиями, направленными на повышение защищенности природных вод, атмосферного воздуха, через
которые происходит миграция загрязняющих компонентов, что достигается созданием дренажно-защитных сооружений (до или в процессе складирования отходов) и поверхностного экранирования техногенных отложений (после окончания складирования).
Выбор мероприятий обуславливается уровнем опасности техногенного массива, горно-геологическими и технологическими условиями их формирования, а также количеством средств, выделяемых на снижение экологического риска. В этой связи делается детальное обследование территории техногенного массива с проработкой ряда вариантов (рис. 2).
Обеспечение безопасного складирования отходов на стадии строительства и эксплуатации хранилищ может быть достигнуто созданием защитно-дренажных сооружений, экранирующих отходы от подстилающих их подземных вод.
По экспертным оценкам затраты на создание защитно-дренажных сооружений для техногенных массивов высокой опасности в 4-6 раз ниже, чем эколого-экономический ущерб от складирования токсичных отходов без эффективной изоляционной системы.
Для обеспечение минимального риска загрязнения природных вод основным принципом складирования отходов является многобарьерный принцип долговременной изоляции
вредных веществ в техногенном массиве. При этом предполагается создание достаточно большого количества барьеров, которые подразделяются на три группы: собственно отходы; системы осушения и изоляции оснований; естественный материал (породы).
Первый тип барьеров препятствует широкому распространению вод инфильтра-
ционного происхождения, дебит которых определяется:
• среднегодовым количеством осадков;
• испарением с поверхности хранилищ;
• геоморфологическими особенностями территории складирования отходов;
• фильтрационными свойствами отходов;
• проведением пылеподавляющих мероприятий и дегазации;
• наличием растительности в районе техногенного массива.
Второй тип барьеров имеет целью воспрепятствовать проникновению осадков (ин-фильтрационных вод) за счет изоляции оснований хранилищ отходов и систем их осушения. Осадки попадают в водосборники и затем нейтрализуются на станциях очистки. Днище хранилища формируется с уклоном 25 % к месту дренажа, где предусматривается
Рис. 2. Мероприятия по снижению экологической опасности техногенных массивов
строительство колодца для сбора дренажных вод, из которого производится периодическая откачка фильтрата.
Третья группа барьеров (геологических) несет на себе основную нагрузку, являясь но-следним звеном в обеспечении безопасности от складируемых веществ. Техногенные массивы рекомендуется формировать на территориях расположения естественных экранов, с минимальным гидравлическим градиентом.
В странах ЕС естественными экранами считаются породы с коэффициентами фильтрации менее 1Q-9 м/с (нри 1=1), в США требования к естественным экранам более жесткие - Environmental Protection Agency рекомендует складирование отходов на породах с коэффициентами фильтрации не более 1Q-11 м/с (дн 1=1). Таким образом, барьерными свойствами обладают плотные глины и скальные породы с низкой трещи-новИзштирующие свойства породы но отношению к вредным веществам определяются следующими факторами:
• состоянием и концентрацией каждого отдельного вредного вещества;
• физическими и химическими свойствами фильтрационных и проникающих грунтовых вод;
• активной поверхностью для глинистых минералов;
• эффективной пористостью пород;
• соотношением объемов фильтрационных и грунтовых вод;
• типом и последовательностью залегания нород.
Складирование отходов должно производиться при минимальном гидравлическом градиенте на геологическом экране. Значение градиента снижается путем создания дрен.
Дрена формируется из материала, устойчивого к фильтрату, то есть имеет силикатный состав и не должна кольматироваться осадками (CaCO3, Fe(OH)3, Al(OH)4), что достигается применением гравия силикатного состава или синтетических геокомнозитов.
Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать основные требования, предъявляемые к защитано-дренажным сооружениям. Защитно-дренажные сооружения должны быть устойчивы:
• к химически активным инфильтратам;
• к физическим воздействиям (перепады влажности и температуры);
• к механическим воздействиям (деформации).
Система защитно-дренажных сооружений может состоять из:
• слоя глин (как правило, бентонитовых);
• геомембраны, одной или нескольких -тонких синтетических водонепроницаемых материалов;
• геотекстиля - полимерного водопроницаемого текстильного натурального или синтетического материала;
• гравийного материала или геокомпозита;
• искусственного водоупорного слоя, сопровождающего дренирующий слой, представляющего собой инъекцию глинистого субстрата.
Геомембрана имеет очень низкую проницаемость (к < 10-15 м/с), малую толщину (до 10 мм), устойчива к миграции полезных компонентов и менее устойчива к миграции неполярных соединений, но она является чувствительной к механическим воздействиям.
Глины обладают более высокой проницаемостью (к = 10-9 - 10-10 м/с) и малой чувствительностью к механическим воздействиям, тем не менее, глины крайне чувствительны к колебаниям влажности. В них формируются трещины усыхания при низкой влажности в системе. При увеличении влажности глины имеют тенденцию к разбуханию. Глины более устойчивы к миграции через них неполярных компонентов. Таким образом, для повышения экранирующих свойств системы наиболее рациональным является комбинирование слоев глины с геомембранами.
Геотекстиль применяется для защиты геомембраны от перфорации; в качестве границы раздела между различными слоями защитно-дренажного сооружения, дренажа газов и жидкости, усиления (повышения устойчивости) дна или стенок хранилища.
Изоляция стенок хранилища является несколько более сложной проблемой вследствие неустойчивости положения геомембраны на пласте. В этом случае рекомендуется система двойной геомембраны, либо создание вертикальных экранов.
Вертикальные экраны (противофильтраци-онные завесы в виде стенки из уплотненного материала) исключают боковое перемещение вредных веществ в основании, транзитную фильтрацию через отходы и распространение
загрязненных вод. Утечки выявляют при помощи системы контроля, которая должна обеспечивать обслуживание и ремонт герметизаци-онных устройств на больших глубинах.
Вертикальные прорези преимущественно создаются одно- или двухкомпонентным способами. При двухкомпонентом способе подготовленная траншея заполняется глинистой суспензией, которая затем уплотняется под действием собственного веса. При однокомпонентном способое материалы в стенках выемки и заполнитель идентичны. Стенка оказывается водопроницаемой, если в фильтрационных водах содержатся органические вещества. При этом важную роль играют диффузионные и гидродинамические процессы. Проницаемость завесы должна определяться с учетом движения поровой воды и гидравлического уклона. В качестве оптимального коэффициента фильтрации для завесы называется значение Кф< 10-3 м/с.
В последнее время испытывались комбинированные вертикальные экраны, включающие дополнительные синтетические слои. Составными частями таких многослойных экранов являются две поверхности из искусственного материала, между которыми находится дренажный элемент, используемый для откач-
1. Муниципальные и промышленные отходы: способы обезвреживания и вторичной переработки: Аналит. обзоры/Отв. ред. канд. хим. наук. В.С. Кобрин; НПО «Техэнергохимпром». - Новосибирск, 1995 г.
ки воды. При переходе от одного слоя к другому водопроницаемость может значительно изменяться. К настоящему времени испытаны искусственные ткани с высокомолекулярными непроницаемыми слоями, а также не взаимодействующие с вредными веществами композиции в виде инъекционных гелей или суспензий. Однако оценка долговечности новых материалов является весьма проблематичной.
Таким образом, решение проблемы отходов определяется не только экологизацией действующего производства и внедрением новых экологически чистых технологических процессов. Важное значение имеют экозащитные системы, комбинированным и универсальным типом которых являются современные полигоны, концентирирующие в себе все технологические возможности для преобразования и управления химическим составом и свойствами отходов.
Перспективы решения проблемы отходов в России зависят от освоения механизмов природопользования в условиях рынка. Однако ясно, что отложить надолго экологические проблемы невозможно.
Работы проводились при поддержке Американского фонда гражданских исследований и развития в научно-образова-тельном центре СПГГИ (ТУ) в рамках гранта БТ-01502.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Бересневич П.В., Кузьменко П.К., Неженцева Н.Г. Охрана окружающей среды при эксплуатации хвосто-хранилищ. - М.: Недра, 1993.
3. Глазьев С.А. Ключевые аспекты экологической безопасности.// Экономика и жизнь, 1996, № 33.
Коротко об авторах _________________________________________________________________
ПашкевичМ.А. - доктор технических наук, профессор кафедры экологии, аэрологии и охраны труда, Елдина Е.В. - аспирантка кафедры экологии, аэрологии и охраны труда,
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет) им. Г.В. Плеханова.
