Header Image

Мы получили много отзывов на предыдущую информационную рассылку. Есть среди них экзотические: Госпожа Семилетова Е.В. из Государственной Думы прислала такое сообщение: > Отпишите меня от Вашей рассылки. - это, в принципе, в русле народной молвы "Туда идут, чтобы научиться на Красной площади капусту выращивать!".

Подробнее ...
2.1 Основные виды техногенных барьеров Печать E-mail
13.12.2014 21:21

Развитие промышленности привело к формированию участков земной поверхности, где техногенные процессы преобладают над природными. Наряду с процессами рассеивания происходит аккумуляция веществ, образующихся в результате этих процессов на техногенных геохимических барьерах.

Согласно А.И. Перельману, техногенный геохимический барьер – это участок, где происходит резкое уменьшение интенсивности техногенной миграции и, как следствие, концентрирование элементов и соединений. В ряде случаев техногенные барьеры создаются целенаправленно на пути движения техногенных потоков для локализации загрязнения (Перельман, Касимов, 1999; Максимович, 2001). Отличительной особенностью техногенных барьеров является возможность аккумуляции техногенных веществ, не встречающихся в природных условиях, таких как нефтепродукты, полиароматические углеводороды, пестициды и др. Концентрации веществ, имеющих природные аналоги на техногенных барьерах в ряде случаев, значительно выше, чем на природных. Изученность техногенных геохимических барьеров значительно хуже, чем природных. В настоящее время не существует единой классификации техногенных барьеров.
Для характеристики техногенных геохимических барьеров используются те же характеристики, что и для природных. Однако для характеристики барьерных функций среды используются специальные показатели. Например, одним из них является защищенность подземных вод от загрязнения, под которым, согласно В.М. Гольдбергу (1987), понимается перекрытость водоносного горизонта отложениями и, прежде всего, слабопроницаемыми, препятствующими проникновению в него загрязняющих веществ с поверхности земли. Защищенность подземных вод зависит от ряда природных и техногенных факторов. К основным природным факторам относятся: наличие в разрезе пород слабопроницаемых отложений; глубина залегания подземных вод; мощность, литология, фильтрационные и сорбционные свойства пород, их физико-химическая активность; соотношение уровней водоносных горизонтов. На основе изучения этих факторов строятся карты защищенности подземных вод. В качестве примера на рис. 1.6 приведена такая карта для Пермского края.


Рис. 1.6. Схематическая карта естественной защищенности подземных вод Пермского края (Бузмаков, Костарев, 2003)

К техногенным факторам относятся условия нахождения загрязняющих веществ на поверхности земли (хранения отходов в шламохранилищах, сброс сточных вод и т.д.) и определяемый этими условиями характер проникновения загрязняющих веществ в подземные воды, специфические свойства загрязняющих веществ, миграционная способность, химическая стойкость и т.д.
Согласно Н.П. Солнцевой, среди техногенных геохимических барьеров выделяются группы: это специальная “техника фильтров” (Ретеюм, 1978); вторая – новообразованные в природной среде. К первой группе относятся технические средства, предназначенные для задерживания загрязняющих веществ: фильтры, очистные сооружения, отстойники. Во второй группе техногенных геохимических барьеров следует различать: встроенные техногенные геохимические барьеры, возникающие из-за введения в природную среду веществ, резко меняющих геохимию природных процессов и вторичные (попутные) техногенные геохимические барьеры, возникающие из-за техногенно обусловленных изменений хода природных процессов (Солнцева, 2004).
Техногенные барьеры играют значительную роль в защите окружающей среды, снижая или прекращая миграцию загрязнителей. Опекуновым А.Ю. (2005) отмечен высокий ассимиляционный потенциал техногенных барьеров. По уровню ассимилирующего потенциала в отношении загрязняющих веществ он выделил следующий ряд техногенных физико- химических барьеров:
Bt>Gt1 ≈ Gt2>Dt>At>Et>Ft ≈ Ht ≈ Ct
Им выделены эколого-геохимические функции барьеров, обусловленные разнообразием геохимических процессов, аккумулирующимися группами поллютантов и временем функционирования (табл. 1.4).

Таблица 1.4 Эколого-геохимические функции техногенных физико-химических барьеров (Опекунов, 2005)

Классы барьеров

Основные геохимические процессы

Аккумулирующиеся группы поллютантов

Временной период

Окислительный  At

Окисление, хемосорбция, адсорбция на МnО2, раз- рушение комплексов

ТМ (фосфаты), Fe, Mn

Постоянный, сезонный

Сероводородный  В/t

Сульфидообразование, восстановление

ТМ, биогены

Постоянный, сезонный

Глеевый  Сt

Восстановление, метилирование

Анионогенные ТМ, As

Постоянный, сезонный

Классы барьеров

Основные геохимические процессы

Аккумулирующиеся группы поллютантов

Временной период

Щелочной  Dt

Гидратация, адсорбция, осаждение гидроксидов

Катионогенные ТМ

Постоянный

Кислотный  Et

Адсорбция, осаждение гидроксидов

Анионогенные ТМ

Постоянный

Испарительный  Ft

Дегидратация, аутиген- ное минералообразование, испарение

ТМ, биогены, малолетучие соединения ОВ

Сезонный

Сорбционный гид- роксидный  G1t

Адсорбция, комплексообразование

Взвесь, ТМ  в ще- лочной, биогены  в кислой

Постоянный

Сорбционный ор- гано-глинистый G2t

Адсорбция, абсорбция, хемосорбция, комплексо- образование

ТМ, гидрофобные ОВ, взвесь

Постоянный

Термический  Ht

Осаждение солей и оксидов, сорбция

ТМ, пестициды

Сезонный, постоянный

ТМ – тяжелые металлы

Техногенные барьеры все чаще используются для охраны окружающей среды. Накопленный опыт показывает, что среди всего разнообразия техногенных геохимических барьеров, применяемых для этих целей, можно выделить разновидности, в которых стихийно или целенаправленно используются естественные барьерные свойства природной среды и искусственные, созданные по специальным технологиям. В ряде случаев техногенных геохимические барьеры могут создаваться на основе использования обоих указанных принципов (рис. 1.7).
Используя классификацию А.И. Перельмана, рассмотрим несколько примеров выделенных разновидностей техногенных геохимических барьеров.
Использование барьерных свойств среды. В ходе хозяйственной деятельности человека нередко происходит бесконтрольное загрязнение окружающей среды. В ряде случаев особенности почв, грунтов, поверхностных и подземных вод, рельефа и др. являются причиной формирования геохимических барьеров на пути миграции загрязнителей. В этом случае можно говорить о стихийно образовавшихся барьерах.


Рис. 1.7. Разновидности техногенных геохимических барьеров, используемых для охраны окружающей среды

Наиболее распространенными барьерами являются почвы и глинистые грунты, задерживающие многие виды загрязнителей, карбонатные породы и присущие им воды, выполняющие роль щелочного геохимического барьера.
Известны случаи, когда барьерные свойства природной среды целенаправленно используются для снижения интенсивности миграции загрязнителей. Для этого существуют специальные технологии и приемы.
Рассмотрим примеры этих разновидностей геохимических барьеров.
Стихийно образовавшиеся геохимические барьеры на пути загрязнителей.
Известны случаи нейтрализации кислых растворов при взаимодействии с более щелочными породами, при этом возникает стихийный щелочной барьер. Исследования взаимодействия некоторых минералов с модельными «кислотными дождями» в экспериментальных условиях показали, что такие минералы, как кальцит, доломит, серпентины способны нейтрализовать значительные объемы кислых растворов (Макаров и др., 1999) (рис. 1.8).


Рис. 1.8. Изменение величины рН «кислотного дождя» при взаимодействии с минералами: кальцитом (1), доломитом (2), серпентинами (3), форстеритом (4), калиевым полевым шпатом (5), альбитом (6) и кварцем (7) (Макаров и др., 1999)

Стихийно образовавшиеся техногенные щелочные геохимические барьеры были исследованы на территории Кизеловского угольного бассейна (Пермский край), где в гидрографическую сеть сбрасывались кислые шахтные воды (формирование их рассмотрено в разделе 4).
Шахта Нагорная на протяжении длительного периода сбрасывала в р. Каменку (приток р. Берестянки) кислые (pH 2-3) минерализованные (2-3 г/л) воды, содержащие SO4 - 1,92 г/л, Feобщ – 0,32 г/л, Al – 0,14 г/л. Выше сброса воды рек Каменки и Берестянки характеризуются типичными для всего района гидрокарбонатно-сульфатным кальциевым составом с минерализацией около 0,25 г/л и рН около 7. Ниже сброса шахтных вод воды этих рек имели pH 2,6-2,9. Далее на отдельных участках р. Берестянка поглощается закарстованными карбонатными породами, а затем выходит на поверхность. Вследствие этого рН возрастает с 2,9 до 7,6-7,8, содержание SO4 снижается в 92 раза, Fe - в 1061 раз, Al - более чем в 100 раз. Минерализация воды приобретает значения, близкие к фоновым.
Очистка кислых вод обусловлена взаимодействием с карбонатными породами, в которые врезаны русла рек и смешиванием с более щелочными водами. Кроме щелочного барьера образование гидроксидов Fe и Al формирует сорбционный гидроксидый барьер, который способствует осаждению катионогенных элементов.
В результате повышения pH воды и снижения подвижности железа, алюминия и катионогенных элементов происходит их выпадение в осадок как в русле рек, так и в подрусловых карстовых полостях. Заполнение осадком этих полостей постепенно ведет к уменьшению подземного стока реки и увеличению поверхностного.
Водородный показатель водных вытяжек осадка ниже сброса шахтных вод составляет 2,5 -3,5. В химическом составе вытяжки грунта преобладает SO42- - до 10460 мг/кг, содержание Fe до 691 мг/кг, Al3+ - 786 мг/кг. На участке реки, где pH воды близко к нейтральным значениям, воднорастворимого алюминия, не обнаружено, содержание общего железа снижается до 1-12 мг/кг.
Таким образом, стихийно сформировавшийся щелочной и сорбционный геохимические барьеры уменьшили зону распространения кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна. Подобные явления наблюдаются и на других участках стока кислых вод (Максимович и др, 1994).
Естественные геохимические барьеры имеют большое значение при аварийных разливах нефтепродуктов. Среди природных геохимических сорбционных барьеров, ограничивающих миграцию нефтяных углеводородов, наиболее важную роль играют органо-сорбционные барьеры в органогенных и гумусовых горизонтах почв, что определяет преимущественно приповерхностную аккумуляцию углеводородов. На них оседает основная масса загрязнителей. Такие горизонты практически не пропускают органические поллютанты. Наиболее высокие содержания битуминозных веществ (до 550 г/кг сухой массы) наблюдаются в торфяных горизонтах.
Для концентрации углеводородов важное значение имеют минерально-сорбционные барьеры, формирующиеся на контакте гранулометрически легких и более тяжелых субстратов в профиле почв или подстилающих пород (табл. 1.5). Количество аккумулированных углеводородов находится в прямой зависимости от мощности этих горизонтов (Солнцева, 1998).

Таблица 1.5 Зависимость нефтеёмкости почв от плотности почвенной массы (по Н.П. Солнцевой, 2004)

Почвы

Горизонт (глубина, см)

Плотность, см3

Нефть, г/кг

Гранулометрический состав

Дерново- подзолистые (лес)

Ад (0-5)

0,66

277,0

Средний суглинок

Агро-дерновые (луг)

Ад (0-5)

1,56

122,0

Легкий суглинок

Интенсивность накопления нефти на природных сорбционных барьерах зависит от степени их увлажнения. Чем сильнее увлажнение почвы, тем меньше возможность внутрипочвенного закрепления нефтепродуктов и тем выше активность ее распространения (табл. 1.6).

Таблица 1.6 Нефтеёмкость органогенных горизонтов почв при разных уровнях влажности (Guseva, Solntseva, 1996)

Почва
Характеристика горизонтов
Влажность субстрата, %
Нефтеёмкость
Болотная торфяно-перегнойно-глеевая
Хорошо разложившийся осоково-моховой торф
25-50
86-100
1620,0
260,0
Тундровая поверхностно-глеевая
Слабо разложившийся сухоторфянистый
25-50
86-100
335,0
40,0

Нефтепроницаемость почвенных горизонтов увеличивается с размерами и формой пор, расположением частиц грунта, наличием и размерами капилляров, трещин и корневых ходов (Солнцева, 1998; Tavenas et al, 1984). Увеличение эффективности сорбционных процессов может быть достигнуто путем применения искусственных сорбентов, т.е. создания смешанных барьеров (рис. 1.4).
Почвенные горизонты могут выступать сорбционным барьером для радиоактивных загрязнителей. Так, А.В. Кудельским и др. (Миграция 137Cs в почвах …, 2004) выявлены низкие уровни загрязнения грунтовых вод 137Cs на территории юго- восточной Беларуси в результате сорбции 137Cs глинистыми минералами почв.
В природных условиях распространены комплексные барьеры. А.Ю. и М.Г. Опекуновыми (2005) описаны сорбционные, щелочные, механические и биогеохимические барьеры в р. Карагайлы, в бассейне которой расположены отвалы горных пород медно-цинкового карьера и хвостохранилище Башкирского медно-серного комбината. При поступлении подотвальных вод в реке снижается рН (с 6,58 до 4,66), содержание Cu2+, Zn2+ и Cd2+ в несколько раз превосходит ПДК для воды культурно-бытового назначения (Опекунов, Опекунова, 2005).
Ими рассмотрена миграция и аккумуляция тяжелых металлов, обусловленная формированием различных последовательных комплексных геохимических барьеров. На верхнем участке реки периодически производится сброс извести, что приводит к формированию искусственного сорбционного барьера, на котором осаждаются тяжелые металлы, сорбирующиеся на частицах извести и выпадающие затем в осадок. На участке поступления подотвальных вод возникает щелочной барьер, на котором в речных известковистых водах рН составляет 6,58, а в подотвальных - не превышает 3,20, что вызывает осаждение катионогенных металлов, содержащихся в сбросе (рис 1.10).
Ниже по течению выражены механические и биогеохимические техногенные барьеры, связанные с зарастанием поймы реки макрофитами и ее заболачиванием, а также с созданием прудов в результате расширения и углубления русла реки, где резко падает скорость течения. Все отмеченные барьеры характеризуются ростом в осадках концентрации Cd, Cu, Zn, Hg, Mn, Cr, As, Pb относительно среднего значения в 2-3 раза, т.е. стихийно образовавшиеся барьеры, в определенной степени, решают проблему очистки реки.


Рис. 1.10. Коэффициент концентрации (Кк) металлов на техногенном щелочном барьере в месте поступления подотвальных вод в р. Карагайлы (Опекунов, Опекунова, 2005).

Болотные экосистемы представляют собой комплекс различных барьеров. Буферность болотных экосистем по отношению к радиоактивным отходам рассмотрена Р.Б. Шарафутдиновым и др. (Некоторые аспекты безопасности …, 2005). При мониторинговых исследованиях нескольких хвостохранилищ радиоактивных отходов разной стадии эксплуатации одного из предприятий ядерного топливного цикла выявлено, что миграция радионуклидов из хвостохранилища, расположенного в болоте, не имеющего водоупорного экрана гораздо медленнее, чем из аналогичного хвостохранилища, но на суглинистых песках и супесях. Активной миграции препятствует комплекс геохимических барьеров. Для некоторых участков характерно резкое уменьшение рН, вследствие чего на кислом геохимическом барьере происходит концентрирование урана. Уменьшение интенсивности миграции радионуклидов происходит также на биогеохимическом барьере.
Целенаправленное использование барьерных свойств природной среды.
В последние годы для охраны окружающей среды от загрязнения все более широкое применение находят идеи использования защитного потенциала самой среды. Основными трудностями для их реализации является отсутствие научно-методической и законодательной базы.
Количественная характеристика защитных свойств природной среды (емкость барьера, проницаемость, период действия и др.) требует специальных полевых и лабораторных исследований, а также сложных расчетов. Следует отметить, что емкость и способность к концентрации элементов природными объектами представляет значительную величину и в ряде случаев может во много раз превышать объем поступающих в окружающую среду загрязнителей.
Методические основы таких исследований заложены в работах В.И. Сергеева с коллегами (Защита подземных вод от загрязнения …, 1992). Ими разработан способ оценки воздействия на грунтовые воды размещения отходов на основе количественной характеристики сорбционных свойств грунтов участков складирования. При оценке поглощающей способности загрязнителей всеми литологическими типами грунтов, слагающими зоны аэрации, рассчитывается так называемая выходная кривая - изменение относительной концентрации загрязнителя (с) во времени (t) с=f(t).
Зависимость с=f(t) определяется в лабораторных условиях. Схема выполнения экспериментальной части представлена на рис. 1.11.
Количественная оценка включает расчет предельно допустимого времени эксплуатации участка размещения отходов. Под предельно допустимым временем эксплуатации понимается время, в течение которого исключено загрязнение подземных вод любым загрязнителем, содержащимся в отходах.

Рис. 1.11. Схема изучения поглощающих свойств грунтов (Сергеев, 1997).

Исследования, выполненные для одного из объектов, показали, что если в основании участка лежат суглинки (рис. 1.12а), относительная концентрация нулевого значения выше водоносного горизонта. В этом случае загрязнители не представляют угрозу для подземных вод. В другом случае (рис. 1.12б) грунтовая толща исчерпала свою поглощающую способность в отношении Mn и Cd, что приведет к загрязнению грунтовых вод.
При выборе площадки золоотвала Рефтинской ГРЭС, сложенной торфом, элювиальными и делювиальными суглинками, было установлено, что грунтовая толща практически повсеместно является надежным естественным сорбционным геохимическим барьером на пути миграции основных загрязнителей (селена, мышьяка и ванадия). Барьер способен обеспечить защиту подземных вод от загрязнения как в период эксплуатации золоотвала, так и после его консервации.

Рис. 1.12 (а, б) Распределение загрязнителей в грунтовых толщах с разной поглощающей способностью через 20 лет (Сергеев, 1997)

Для очистки бытовых сточных вод может быть использован защитный потенциал гидролитосферы (Гавич, Фисун 1989, 2002). В одном из аридных районов Казахстана была рекомендована система доочистки сточных вод в безводных песчаных коллекторах. Эксперименты показали, что при фильтрации достигалась полная очистка сточных вод от фосфатов, уровень очистки по другим показателям колебался в пределах 20-70%. В опытах, воссоздающих анаэробную обстановку, наблюдалась полная очистка фильтрата от соединений азота и бактериального загрязнения.
Аналогичное использование грунтовых толщ предложено В.Г. Поповым и др. (2005, а, 2005, б). Функционирование Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения сопровождается образованием хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Промстоки закачиваются под газовую залежь на глубину 1230-1475 м в сеноманский поглощающий водоносный горизонт. Полевые и экспериментальные исследования показали, что в пределах ореола растекания промстоков концентрация метанола неизбежно уменьшается не только за счет разбавления пластовыми водами, но и вследствие их сорбции терригенными породами (В.Г. Попов и др., 2005, а, В.Г. Попов и др. 2005, б).
Использование среднекаменноугольных отложений в качестве объекта для захоронения промстоков Ростовской области рекомендовано Э.С. Сианисяном и др. (2005). В пластах-коллекторах будет осуществляться их хранение и очистка в результате сорбции глинами.
Искусственные геохимические барьеры.
Техногенные геохимические барьеры могут специально создаваться для решения различных задач, таких как охрана окружающей среды, обогащение полезных ископаемых, инженерная защита территории и т.д. Такие барьеры предлагается называть искусственными. Для создания искусственных барьеров разрабатываются специальные технологии. Методические основы создания таких барьеров рассмотрены в разделе 2. В качестве материалов, используемых для создания барьеров, применяются различные материалы и вещества в зависимости от специфики барьеров и экономической целесообразности (рис. 1.13).
Природные материалы широко используются для создания сорбционных (глины, суглинки, торф и т.д.), щелочных (карбонаты) и других барьеров. Преимуществом использования природных веществ является их широкое распространение, снижающее транспортные расходы и относительно низкая стоимость.
Перспективным направлением является использование отходов производства. При этом наряду с их низкой стоимостью решается другая экологическая задача – утилизация отходов.


Рис. 1.13. Материалы, используемые для создания искусственных геохимических барьеров

В том случае, когда природные вещества и отходы малоэффективны для создания барьера, подбираются специальные химические реагенты. Они, как правило, дают возможность обеспечить необходимую эффективность работы барьера, но имеют большую стоимость. Для создания механических барьеров, чаще всего используются специальные строительные конструкции. Известны случаи создания барьеров на основе биологических объектов: растительность, микроорганизмы и т.д.
Рассмотрим некоторые примеры применения искусственных геохимических барьеров для охраны окружающей среды.
К искусственным механическим барьерам можно отнести специальные железобетонные сооружения, которые создаются в прибрежных зонах для предотвращения размыва и восстановления пляжей. В районах, подверженных воздействию пыльных бурь, загродительные лесополосы являются эффективными механическими барьерами.
Известны способы очистки сточных вод от грубых и тонких взвесей путем создания грунтовых фильтров из отходов угледобычи на предприятиях угольной промышленности (Лесин, 1986) (см. раздел 4). А.А. Леонтьевым и И.И. Бессоновым (1998) предложено использовать массивы горных пород (песок, гравий и др.) либо создавать искусственные массивы для очистки стоков горно-металлургических комбинатов Кольского полуострова от взвешенных веществ.
Использование щелочных геохимических барьеров в составе природоохранных мероприятий получило широкое распространение. При обработке виноградников медьсодержащими препаратами происходит загрязнение окружающей среды медью. Для предотвращения дальнейшей миграции меди Н.К. Бургеля и Н.Ф. Мырляном (1985) был создан щелочной барьер из песчано-карбонатной смеси. Ею заполняются траншеи, расположенные на склонах ниже участков. Медь, попадая на такой барьер, осаждается в виде малахита.
Г.А. Леоновой и В.А. Бычинским (1999) предложена физико-химическая модель очистки сточных вод Селенгинского целлюлозно-картонного комбината на основе искусственных щелочных геохимических барьерах. В основу моделирования положены принципы частичного равновесия и нахождение минимума свободной энергии Гиббса. Независимыми параметрами состояния являются температура, давление и химический состав системы «сточные воды – геохимический барьер», представленный 278 зависимыми компонентами. Предложенная физико-химическая модель позволяет прогнозировать очистку сточных вод комбината на щелочном геохимическом барьере.
Для решения проблемы нейтрализации отходов добычи и обогащения барит-полиметаллических руд с золотой и серебряной минерализацией (Салаирский горно-обогатительный комбинат) С.Б. Бортниковой и др. (2003) предложено создание комплекса искусственных геохимических барьеров. В составе твердого материала хвостохранилища преобладают остатки вмещающих пород и жильные минералы, сульфиды, (главным образом пирит, 2-4%), среди металлов - Zn, Pb, Cu, Cd и Fe.
Схема хвостохранилища, в котором возможно управление процессами растворения, миграции и переотложения металлов путем создания, представлена на рис. 1.14.
Кроме водонепроницаемого материала, традиционно укладываемого на днище хвостохранилища, формируется осадительный барьер, например, из слоя известняка, способного надежно осаждать металлы из растворов. Далее складируются сульфидосодержащие отходы. Необходимый компонент – породные отвалы, включающие песок для разрыхления вещества и предотвращения застойных явлений. Сверху укладывается пиритовый концентрат, который имеется в избытке на многих горно-обогатительных предприятиях.


Рис. 1.14. Схема управления процессами в хвостохранилище с формированием искусственных рудных тел (Бортникова и др., 2003)

Окисление пирита на верхних горизонтах складирования отходов автоматически дает серную кислоту, необходимую для выщелачивания металлов. Мигрирующие вниз потоки способствуют окислению сульфидов, а кислая среда ускоряет переход металлов в растворы. На карбонатном барьере после нейтрализации металлы способны переотлагаться и, накапливаясь, формировать вторичные рудные тела. Избыточная вода сбрасывается через контролируемые скважины в нейтрализующие и собирающие металлы фильтры. Таким образом, токсичные элементы концентрируются в виде полезных компонентов, при этом осуществляется контроль уровня металлов в дренажных потоках.
Для очистки стоков горных предприятий Дальнего Востока Б.Г. Саксиным и Л.Т. Крупской (2004) предложена модель биотехнологической очистки на основе природного механизма самоочищения в водно-болотных системах.
В.И. Сергеевым с коллегами (Защита подземных вод от загрязнения …, 1992) предложено при создании искусственных геохимических барьеров на пути техногенной миграции вещества в качестве реагента использовать силикатные гели, широко применяемые в технической мелиорации пород. Исследования показали, что создание барьеров из силикатных гелей позволяет не только уменьшить распространение загрязнителей в результате снижения фильтрационной способности пород, но, благодаря процессам поглощения, тяжелые металлы будут сорбироваться в теле барьера. Низкая исходная вязкость силикатных растворов делает их удобными в практическом применении, что позволило рекомендовать гелево-силикатный экран для очистки промышленных отходов, содержащих тяжелые металлы (Защита подземных вод от загрязнения …, 1992). Аналогичный искусственный экран на основе геля щавелево-алюмосиликатной рецептуры предложен для хранения радиоактивных отходов (Кучеров и др., 2005).
При реконструкции гидрозолоотвала Читинской ТЭЦ-1 Д.М. Шестернев и др. (2005) для глубокой доочистки сточных вод предложили использовать в качестве сорбционного барьера местные цеолитсодержащие туфы – эффективный природный сорбент.
Использование природного материала бентонитовых глин Камалинского месторождения для глубокой очистки сточных вод (урансодержащий азотно-кислый рафинат) Красноярского электрохимического завода от радионуклидов и надежного удержания в максимально локализованном виде радиоактивных примесей предложено В.П. Ковалевым и др. (Предотвращение неуправляемого распространения …, 1996). Катионообменная емкость поглощающего комплекса бентонитовых глин равна 60-110 мг-экв/100 г. При связывании монтмориллонитом низко- и среднеактивных отходов можно повышать их концентрацию в сорбенте до значений, которые сравнимы с содержаниями в руде.
Искусственно создаваемые геохимические барьеры на основе семейства смектитов обеспечивают не только глубокую очистку технических вод от урана, но и предотвращают последующее включение его в процессы миграции (рис. 1.15). После заполнения очистные карты перекрываются водоупорным слоем глины, чтобы исключить доступ атмосферных вод к шламу и бентониту с сорбированным уранилом. При старении суспензий будет нарастать связь UO2+2 с кремнекислородными подложками, в результате чего появятся устойчивые силикаты уранила (уранофан, соддиит, урсилит и др.) и гуммиты – смеси силикатов с собственными фазами оксидов урана. Этот комплекс минералов будет полностью идентичен экзогенным природным минеральным ассоциациям.
Для очистки жидких радиоактивных отходов от радионуклидов А.П. Зосиным и др. (Сорбция и последующая мобилизация 134Cs …, 2004) разработаны сорбенты на основе магнезиально-железистых шлаков - отходов предприятий цветной металлургии Кольского полуострова, синтезируемых по технологии твердеющих минеральных дисперсий. При применении этих сорбентов извлечение цезия из раствора с низким солевым фоном составляет до 97-95 %. Испытания показали, что цезий из матрицы отработанного адсорбента не десорбируется. Для решения проблемы защиты поверхностных и подземных вод от токсичных отходов предложено использование капиллярных барьеров (Barres Michel и др., 1988; Andersen, Clausen, 1988; Jehan R, 1988). Такие барьеры использованы для создания экранов, предупреждающих фильтрацию промышленных стоков или атмосферных осадков через токсичные отходы.
Предложены различные типы капиллярных барьеров: песок тонкозернистый – песок крупнозернистый, песок тонкозернистый – глина, песок крупнозернистый – глина (Une protectin naturelle contre l’infiltration, 1988; Andersen, Clausen, 1988) песок тонкозернистый – гравий (Barres Michel и др., 1988).


Рис. 1.15. Принципиальная геотехнологическая схема глубокой очистки технических вод от радионуклидов (Предотвращение неуправляемого распространения …, 1996): I – область фильтрации смеси атмосферных осадков и технических вод при свободном доступе кислорда (зона аэрации); уран находится в максимально окисленном шестивалентном состоянии; II – зона подземного стока грунтовых вод в участки разгрузки, связанные с поверхностными водоемами и водотоками.

Расчеты и эксперименты показали, что вода из тонкозернистого слоя не может проникнуть в грубозернистый слой, т.к. разность сил всасывания между слоями превышает гравитационную силу. Капиллярный барьер, состоящий из двух слоев песка с различным гранулометрическим составом – тонкозернистого и крупнозернистого, был создан вблизи Бёттерупа (Дания) (Andersen, Clausen, 1988). Поверхность раздела между слоями имеет наклонное положение. Фильтрующиеся воды удерживаются в тонкозернистом слое и двигаются в направлении наклона согласно градиенту. Благодаря силам натяжения вода не проникает в крупнозернистый слой. Барьер такой конструкции, созданный над хранилищем отходов, будет отводить воду в сторону. Испытания данного барьера (длительность около полутора лет) показали, что доля отведенных атмосферных осадков составила 45% при площади барьера 600 м2.
Искусственные биогеохимические барьеры также могут применятся для защиты окружающей среды от загрязнения. Известны способы микробиологической очистки подземных вод и промышленных и бытовых стоков. Например, для утилизации отходов горной промышленности меднорудного и марганцево- рудного производства Грузии Л.А. Церцвадзе и др. (2005) предложили использование сообщества микроорганизмов, которые активно участвуют в процессах оглеения с выносом элементов из минералов и их трансформацией. В основе биоорганического комплекса, используемого для выщелачивания металлов, лежит торф с различными добавками. Авторами установлено, что в отходах марганцево-рудного месторождения экстракция марганца осуществляется в основном гетеротрофными микроорганизмами, живущими за счет окисления и потребления органических веществ и специфическими возбудителями редукции марганца. В выщелаченных растворах отходов медно-колчеданных и полиметаллических руд доминирующими микроорганизмами являются плесневые грибы, масляно-кислые и редуцирующие серу и железо бактерии. Разработанная методика позволяет использовать полученные растворы при дальнейшей переработке для получения урана, рения, никеля, кобальта, титана, хрома, селена, кадмия, ниобия, гафния, стронция и др. Например, процент выноса урана из отходов медного производства после одноразового выщелачивания составляет 27%, вынос из отходов марганцевого производства – 30%. Экстракция селена их отходов медных руд достигает 47 %, а гафния – 77 %.
Во многих случаях целесообразно применение комплексных искусственных барьеров, когда спектр загрязнителей не позволяет защитить окружающую среду с помощью создания какого-либо одного вида барьеров. Для минимизации вредного влияния на окружающую среду отходов Карабашского медеплавильного комбината (Южный Урал) как один из способов был использован аналог природного материала - модифицированный торф с повышенным содержанием гуминовых кислот (Богуш, Трофимов, 2005).
Техногенные растворы Карабашского медеплавильного завода относятся к сульфатно-кальций-магниевому типу с минерализацией до 10 г/л. Торфогуминовый препарат (ЕАП) разработан на основе гуминовых веществ, которые образуют прочные соединения с ионами металлов, полученных кавитационной обработкой торфа (низинного типа, травяной группы) и имеет следующие основные характеристики: влажность 70 %; степень гумификации вещества 45%; рН - 12. В качестве дополнительного сорбента был добавлен мраморизованный известняк Салаирского рудного поля с примесью доломита. Результаты экспериментов приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7 Сорбция препаратом ЕАП, мг/г сорбента (Богуш, Трофимов, 2005)

Сорбент

рН

Zn

Cd

Pb

Cu

Fe

Co

Ni

Al

Раствор 1

2,7

60,0

0,38

0,1

20

1000

0,36

0,24

110

Препарат ЕАП

5,3

1,6

0,014

-

0,94

39

0,0055

0,004

4,7

ЕАП + известняк

6,0

2,6

0,017

-

0,96

48

0,0085

0,0065

5,5

Раствор 2

4,3

53,0

0,24

1,6

160

51

0,39

0,34

73

Препарат ЕАП

9,6

2,4

0,011

0,073

3,8

1,3

0,016

0,01

3,5

ЕАП + известняк

8,1

2,7

0,012

0,073

6,8

2,5

0,018

0,014

3,6

При добавлении известняка происходит нейтрализация кислых растворов, наряду с гуматами образуются труднорастворимые карбонаты тяжелых металлов. Проведенные эксперименты по десорбции показали, что практически все элементы не выходят в раствор (Богуш, Трофимов, 2005).
Создание барьера, при котором использованы природные защитные свойства среды и добавки пород (смешенный барьер), было применено при строительстве приповерхностного траншейного могильника для контейнера со слабо радиоактивными твердыми отходами (Санина и др., 2005). Изоляцию отходов предложено производить путем создания вокруг траншеи сплошной оболочки из бентонитовых глин, являющихся сорбентами для радионуклидов. Породы, расположенные на участке захоронения, насыщены глинистыми минералами (с емкостью катионного обмена до 50 мг/U/100 г вещества). Грунтовые воды разгружаются в торфяники болота Сушинский Калтус с емкостью катионного обмена, достигающей 900 мг/U/100 г вещества. Использование естественных условий площадки захоронения позволило практически исключить поступление радионуклидов в природную среду.
Таким образом, в практической деятельности для охраны окружающей среды все чаще применяются искусственные геохимические барьеры, причем некоторые авторы не используют понятие «геохимический барьер» при описании технологий.
Рассмотрим некоторые методические основы создания таких барьеров.

 
Free template "Frozen New Year" by [ Anch ] Gorsk.net Studio. Please, don't remove this hidden copyleft! You have got this template gratis, so don't become a freak.