Header Image

24–27 мая 2011 года в Орле состоится Общее собрание Российской академии архитектуры и строительных наук», которое будет проводиться на базе федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс».

Подробнее ...
6.2. Разработка комплексного экрана для защиты подземных и поверхностных вод Печать E-mail
14.12.2014 21:14

Для защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения на новом участке складирования отходов предложено создание искусственного экрана в основании шламохранилища, способного поглотить загрязнители, присутствующие в инфильтрате. Анализ результатов исследования состава отходов, загрязненных подземных и поверхностных вод показал, что в качестве потенциальных загрязнителей должны рассматриваться следующие элементы: Cu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, Be. Концентрация этих элементов в жидкой фазе отходов значительно превышает ПДК.

Выбор материала нового шламохранилища для создания экрана осуществлялся после исследования сорбционных свойств местных глинистых грунтов, различных природных и искусственных реагентов и их комбинаций (Максимович и др., 2006). В качестве материала для создания сорбирующего экрана предполагалось использовать делювиальную глину, необходимые запасы которой разведаны в районе шламохранилища.
Исследование гранулометрического состава глины показало ее высокую дисперсность. Содержание глинистых частиц (<0,001 мм) составило 20%, частиц мелкой пыли (0,005-0,001 мм) - 22,9%. Рентгеноструктурный анализ показал, что в дисперсной части исследуемой глины содержится гидрослюды - 2,8%, каолинита - 2,5%, микроклина - 3,1%, смешаннослойных - 10,2%, кварца - 80%. Присутствуют также в незначительных количествах альбит, хлорит и гетит. Имеющийся опыт изучения поглощающих свойств глин в отношении тяжелых металлов позволяет говорить, что состав данной глины свидетельствует о ее потенциально высокой сорбционной способности (Защита подземных вод, 1992).
На первом этапе поглощающие свойства глины изучались на модельных растворах сульфатных солей Cd, Zn, Cu и Pb (основные загрязнители). Грунт смешивался с раствором, и через сутки измерялась остаточная концентрация раствора. Определялась емкость поглощения глины в отношении данного металла (табл. 6.4).

Таблица 6.4 Емкости поглощения глины (N) по Cd, Zn, Cu, Pb в экспериментах с модельными растворами (соотношение глина - раствор 1:200)

Cd

Zn

Cu

Pb

Концентрация, мг/л

N,

мг/г

Концентрация, мг/л

N,

мг/г

Концентрация, мг/л

N,

мг/г

Концентрация, мг/л

N,

мг/г

исходная

остаточная

исходная

остаточная

исходная

остаточная

исходная

остаточная

12,6

1,3

2,1

25,6

5,6

4,0

27,0

6,7

4,1

17,1

0,0

>3

37,0

4,2

6,6

51,5

20,0

6,3

53,0

22,7

6,1

41,3

0,0

>8

74,7

16,8

11,5

103,0

61,0

8,4

110,5

70,0

8,1

84,8

6,8

15,5

Предварительные исследования поглощающих свойств выбранной глины на модельных растворах показали ее вполне удовлетворительную способность поглощать тяжелые металлы. Однако проведение экспериментов с жидкой фазой пульпы в статических и динамических условиях по методике, описанной в исследованиях (Защита подземных вод … ,1992; Sergeev et al.,
1996) не дало положительного эффекта. Практически значимого поглощения Pb, Zn, Cu, Cd глиной не наблюдалось. Высокая минерализация жидкой фазы пульпы и большое количество растворенного органического вещества исключают возможность применения поглотительного экрана, состоящего только из глины. В первую очередь, это связано с образованием органо-металлических комплексов, препятствующих поглощению металлов глиной.
Этот факт определил необходимость проведения ряда серий экспериментов по выведению из раствора тяжелых металлов с помощью химических и минеральных добавок. В качестве добавок использовались гипс, торф, гель гуминовой кислоты, суперфосфат, известь, шлак, пиритовые огарки (FeS), сульфид натрия, сульфат железа, активированный уголь и их различные комбинации. Были предприняты попытки разрушения органических комплексов с помощью ультрафиолетового облучения, аэрированием, окислением сильными окислителями – перекисью водорода, персульфатом калия, диоксидом марганца.
Учитывая положительные результаты опытов по связыванию закомплексованных металлов на активированном угле (поглощение комплексов меди до 80%, свинца - до 77%, цинка - до 58% и кадмия - до 30%) и моносульфиде железа (поглощение Cu - до 80-90%, Pb - до 70-80%, Zn - до 100% и Cd - до 20-30%), основными элементами экрана могли бы быть: глина, моносульфид железа FeS (пиритовые огарки) и активированный уголь. Однако такой экран не решает полностью проблему защиты подземных вод от оксианионов As, Se, V, Mo, Ti, Be.
Известным хорошим адсорбентом для оксианионов является торф (Глазовская, 1988; Емлин, 1991). На основании данных статических экспериментов был сделан вывод о хороших поглощающих свойствах порошка FeS, однако, при другом, не адсорбционном механизме связывания металлов в сульфиды при растворении FeS. Были основания ожидать увеличения реакционной способности поверхности FeS в фильтрационных условиях, если предотвратить отравление поверхности гидроокислами Fe(II). Гуматы торфа являются хорошим растворителем железа. Поэтому было решено отказаться от использования активированного угля как адсорбента и напрямую связывать металлы в малорастворимые сульфиды на реакционном барьере с помощью FeS.
Динамика иммобилизации принципиально отличается от сорбционной и отвечает реакции растворения FeS в щелочной восстановительной среде. Обычно при сорбционном захвате концентрации в фильтрате минимальны в первых пробах. На экране данного типа эффективный захват и связывание металлов в сульфиды осуществляется после растворения части FeS и достижения стационарной концентрации иона S2-, близкой к равновесной. В таком процессе важно обеспечить реакционную доступность поверхности FeS для последующих порций фильтрата на длительный срок эксплуатации шламохранилища. Эти функции в выполняет торф. В щелочной среде гуматы торфа достаточно растворимы и обеспечивают не только растворение железа в количествах 0,5-1 мг-экв/л (и соответственно, 0,5-1 мг-экв/л ионов HS- и S2-), но и сохранение в экране восстановительных условий, препятствующих окислению Fe(II) до Fe(III) и сульфидной серы. Устойчивость сульфидов в торфах в анаэробных условиях - хорошо известный факт. Даже такие, склонные к окислению фазы, как троилит (FeS), гидротроилит (FeS · nH2O) и пирит (FeS2) – обычные минералы торфов при сохранении восстановительных условий.
Особым моментом является рассмотрение поведения железа. Искусственный геохимический барьер данного состава не экранирует миграции железа в подземные воды. Однако ожелезнение известняков при инфильтрации болотных торфяных вод, содержащих гуматы железа - обычное природное явление. Образование аутигенных пленок гидроокислов железа требует лишь перехода от восстановительной обстановки торфяных болот к условиям достаточной аэрации. Закарстованные известняки, находящиеся в основании шламохранилища, отличаются промывным режимом, т.е. соответствуют окислительным условиям. Эти условия гарантируют окисление растворенного Fe(II), переход положительно заряженных (в условиях карбонатного равновесия в известняках) коллоидных мицелл Fe(OH)3 в немиграционное состояние. Образующиеся аморфные осадки Fe(OH)3 являются мощным дополнительным адсорбентом для Hg и оксианионов As, Se, Ti, V, Mo и анионных комплексов Be, Zn.
После выбора компонентов для комплексного экрана была проведена серия экспериментов в динамических условиях, при которых в фильтрационных колоннах моделировались различные их соотношения. Для опытов использовалась пульпа с максимальной концентрацией загрязнителей. На основании полученных выходных кривых проводились расчеты необходимой мощности слоев экрана и соотношения в них компонентов по методике, изложенной в исследованиях (Защита подземных вод ,1992; Sergeev V.I. at al., 1996). При постановке серий динамических опытов, исходя из общего количества жидкой фазы пульпы и максимального количества загрязняющих веществ, способных мигрировать из твердой фазы, учитывалась проектная фильтрационная нагрузка на основание шламохранилища, где должен быть сформирован экран.
Для снижения щелочности пульпы предложено использовать гипс. Его использование позволяет снизить рН пульпы до 7,4-7,5 и легче реализовать образование карбоната кальция, т.е. связать значительную часть карбонатной щелочности пульпы в твердую фазу. Снижение рН до нейтральных значений будет способствовать гидролизу и осаждению оксианионов тяжелых металлов.
Результаты исследований показали, что при инфильтрации жидкой фазы пульпы и атмосферных осадков через экран концентрации загрязнителей будут ниже ПДК.
Химическое связывание загрязнителей на барьере-экране заведомо обеспечивается в течение сотен лет.
Конструкция экрана - геохимического барьера.
Рекомендуемый экран включает три слоя (рис. 6.2).


Рис. 6.2. Конструкция защитного экрана

 Нижний слой представляет собой глинистый экран мощностью не менее 20 см. Этот слой должен быть спланирован, выровнен, укатан и иметь горизонтальную верхнюю поверхность. Для создания этого слоя может быть использована местная делювиальная глина, запасы которой в достаточном количестве имеются в непосредственной близости от шламонакопителя. Фильтрационные окна при укладке данного слоя исключаются.
 Средний слой экрана, выполняющий основную функцию перехвата загрязнителей создается из смеси торфа и FeS в соотношении 3:13. Мощность слоя 10 см. В качестве компонентов для создания слоя необходимо использовать FeS или пиритные огарки с наименьшим количеством металлического железа и преобладанием фракции менее 0,1 мм. В качестве второго компонента слоя рекомендуется использовать нормальнозольный верховой торф болотно- озерного генезиса среднеразложенный. Перед укладкой и укаткой компоненты слоя должны быть равномерно перемешаны.
 Верхний слой мощностью 10 см целесообразно создать из местных глин с добавкой гипса (до 10-15%) для уменьшения щелочности фильтрующейся пульпы. Верхний слой должен быть уплотнен и иметь горизонтальную поверхность.
Роль верхнего и нижнего слоев глины в структуре экрана заключается в уменьшении и рассредоточении фильтрационной нагрузки на всю площадь шламохранилища и в консервации промежуточного слоя FeS и торфа для создания в нем анаэробных восстановительных условий.
Предложенная конструкция экрана после согласования с природоохранными органами вошла в проект нового шламохранилища, строительство которого в настоящее время закончено.

 
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.