Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ХВОСТОХРАНИЛИЩ

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для изоляции поверхностей техногенных массивов, например хвостохранилищ, слагающихся из токсичных отходов, с целью восстановления нарушенных земель.

Известен способ предотвращения загрязнения окружающей среды токсичными и радиоактивными веществами (патент РФ №2168223, опубл. 20.03.2001 г.), заключающийся в последовательной засыпке гидрофобизированным природным грунтом толщиной, достаточной для исключения капиллярного подъема жидкости на открытых хранилищах радиоактивных отходах. При этом гидрофобизацию грунта осуществляют обработкой его раствором гудрона в органическом растворителе. Слой гидрофобизированного грунта составляет 3-5 см. Недостатками данного способа являются применение нефтепродуктов, которые подавляют рост и развитие растительных организмов, высокая термическая чувствительность гудрона, размягчение при высоких температурах и хрупкость при низких, а также неудовлетворительные показатели его механических характеристик и склонность к старению.

Известен способ консервации и изоляции техногенных месторождений (патент РФ №2547869, опубл. 10.04.2015 г.), заключающийся в приготовлении гидроизоляционной смеси, содержащей отходы полиэтилена, укладке ее на поверхность хранилища, нанесении на остывшую поверхность дренажного слоя из крупнозернистого материала, далее наносят на поверхность слой мятой глины 0,2- 0,4 м и уплотнение, укладку гидроизоляционной смеси на подготовленную поверхность осуществляют экструзивно при температуре 180-200°С полосами шириной 2-2,5 м с взаимным перекрытием на 0,15-0,2 м, указанный дренажный слой наносят толщиной 0,1-0,15 м, а гидроизоляционная смесь содержит в качестве отходов полиэтилена - отходы полиэтилена высокого и низкого давления, и дополнительно - полиизобутилен и газовую сажу. Недостатком данного способа является потенциальная опасность высвобождения вредных веществ при нагревании отходов полиэтилена, большая энергоемкость приготовления гидроизоляционной смеси, а также трудоемкость и многостадийность процесса.

Известен способ создания почвенно-растительного покрова при рекультивации нарушенных земель (патент РФ №2484613, опубл. 20.06.2013 г.), заключающийся во внесении на поверхность грунта отходов, минеральных удобрений и посев многолетних трав. При этом на поверхность грунта наносят отходы горнодобывающей промышленности слоем не менее 5 см, содержащие кальцит и/или гидросиликат магния. В качестве отходов горнодобывающей промышленности используют также карбонатитовые отходы, или отсев оливинитовой руды, или серпентинитомагнезит. Вносят комплексные удобрения N70P70K70, затем слоем до 1 см рассыпают вспученный вермикулит с гранулами до 4 мм, проводят посев смеси семян многолетних растений, поливают водой и покрывают полимерной пленкой, которую удаляют на 5-7-й день. В качестве семян многолетних растений используют овсяницу красную, тимофеевку луговую, кострец безостый, волоснец песчаный в количестве 50-100 г/м². Полив водой проводят из расчета 5 л/м². Недостатками данного способа являются трудность формирования экранирующего и плодородного слоя, из-за применения вермикулита, обладающего высоким коэффициентом водопоглощения, а также малая мощность экранирующего слоя, которое обеспечит проникновение корневой системы в загрязненный грунт, тем самым приведет к остановке роста и развития растений.

Известен способ рекультивации хвостохранилищ в условиях Субарктики (патент РФ №2571346, опубл. 20.12.2015 г.), принятый за прототип, заключающийся в создании изоляционного дренажного слоя из скальных пород, щебня и гравия (подложка). Затем наносят искусственный слой (субстрата), состоящий из речного песка, почвы и опилок, гранулированного шлака, угольного порошка, торфа и кека с последующим перемешиванием поверхностного слоя фрезерованием и его последующим прикатыванием. На второй год после усадки искусственного грунта проводят подсыпку субстрата и биологическую рекультивацию путем высаживания древесно-кустарниковой растительности и посева семян травосмеси многолетних низовых злаков разбросным способом с одновременным внесением азотно-фосфорно-калийных удобрений. Недостатками данного способа являются трудоемкость формирования изоляционного дренажного слоя и искусственного слоя (субстрата), ресурсоемкость способа при применении данного способа рекультивации больших территорий; капиллярный подъем загрязняющих веществ и их проникновение в искусственный слой (субстрат). Изоляционный дренажный слой из скальных пород, щебня и гравия (подложка) первое время будет препятствовать капиллярному подъему загрязняющих веществ, однако вымывание искусственного слоя (субстрата) осадками вскоре приведет к засорению гранулированного материала, и капиллярный подъем возобновится.

Техническим результатом изобретения является использование повсеместно доступных экологически чистых естественных материалов, подбор параметров изолирующего и плодородного слоя и минимизация ресурсных затрат на проведение работ по защите наносимого плодородного слоя от фитотоксичных отходов обогащения хвостохранилища.

Технический результат достигается тем, что на техническом этапе формируют песчано-гравийную прослойку фракцией от 2 до 5 мм и мощностью от 10 до 15 см, затем укладывают геосинтетический материал плотностью от 160 до 180 г/м² и толщиной от 2 до 4 мм, наносят искусственно-созданный субстрат, изготовленный из плодородного грунта, включающий сапропель, активный ил и старику в соотношении: 60:20:10:10 мощностью от 10 до 15 см, а биологический этап рекультивации осуществляют посевом семян почвозадерняющих трав с нормой высева от 40 до 70 кг/га и вносят природную древесную мульчу с удельным расходом от 1100 до 1300 кг/га методом гидропосева.

Способ рекультивации хвостохранилищ поясняется следующей фигурой:

фиг. 1 - схема нанесения рекультивационных слоев на искусственную дамбу хвостохранилища, где:

1 - хвостовые отложения;

2 - песчано-гравийная прослойка;

3 - геосинтетический материал;

4 - искусственный субстрат;

5 - семена почвозадерняющих трав.

Способ осуществляется следующим образом. В первый год проводят технический этап рекультивации хвостовых отложений 1 (фиг. 1), который включает в себя выполнение планировочных работ с использованием бульдозеров из парка машин предприятия.

После проведения грубой и чистовой планировки на окончательно выровненную площадку осуществляется доставка песчано-гравийной смеси 2 фракцией 2-5 мм. Нанесение и распределение песчано-гравийной смеси мощностью 10-15 см производится при помощи бульдозеров.

Для полного разрыва капиллярных связей с хвостовыми отложениями 1 на спланированную поверхность укладывают нетканый иглопробивной геосинтетический материал 3 толщиной 2-4 мм, плотностью от 150 до 450 г/м².

В дальнейшем осуществляется нанесение искусственного субстрата 4 мощностью 10-15 см, изготовленного из потенциально-плодородного грунта, сапропеля, активного ила и старики в соотношении 60:20:10:10%.

Перемешивание и крошение нанесенного слоя искусственного субстрата на рекультивируемую поверхность осуществляется методом фрезерования, что улучшает водный, воздушный и тепловой режим грунта и активизирует микробиологические процессы в ней.

Во второй год после усадки искусственно-созданного капилляропрерывающего слоя и искусственного субстрата проводят подсыпку искусственного субстрата и биологический этап рекультивации. Для предотвращения разрушения созданного субстрата на поверхности хвостохранилища под действием процессов водной и ветровой эрозии необходимо закрепить рекультивируемую поверхность гидропосевом с использованием семян почвозадерняющих трав 5.

Способ поясняется следующими примерами. В качестве объекта исследования выбрана территория осушенных и законсервированных хвостохранилищ в г. Мирный, Республики Саха (Якутия), поверхность которой не подвергается естественному зарастанию.

В начале исследований для определения пригодности отходов обогащения к биологической рекультивации, отобраны пробы и выполнен агрохимический анализ.

Элементный состав хвостов определен рентгенофлуоресцентным методом лабораторным оборудованием «ThermoFisherScientific ARL 9900 WorkStation».

Согласно элементному составу основная часть отходов обогащения представлена оксидами кремния, магния, алюминия и кальция и практически не насыщена органическим веществом.

Оценка общей концентрации растворенных солей в отобранных пробах выполнена методом жидкостной хроматографии оборудованием «Shimadzu LC-20».

По результатам анализа определен тип засоления - сульфатно-хлоридный, а по процентному содержанию сульфатов и хлоридов степень - сильнозасоленная.

В результате проведенных анализов проб установлена совокупность свойств нарушенных земель, обусловливающих непригодность хвостов обогащения к биологической рекультивации. Засоление приводит к созданию в почве низкого водного потенциала, поэтому поступление воды в растение сильно затрудняется. Также вредное влияние высокой концентрации солей связано с повреждением мембранных структур, вследствие чего возрастает ее проницаемость, теряется способность к избирательному накоплению веществ.

Если произвести рекультивацию путем нанесения плодородного слоя из почвосмесей на поверхность хвостохранилища, то в растениях накопятся фитотоксичные элементы, содержащиеся в хвостах, что приостановит рост и развитие растений и в конечном счете приведет к их гибели. Эффективным вариантом решения проблемы в данном случае является укладка геосинтетического материала на поверхность хвостохранилища с формированием песчаной прослойки перед нанесением плодородного слоя почвы. Предлагаемое решение позволяет изолировать засоленную поверхность хвостохранилища, а также пресечь капиллярный подъем и миграцию минерализованных вод в верхние слои почвы, тем самым добиваясь создания условий, необходимых для успешного восстановления экосистемы.

В первый год проводят технический этап рекультивации поверхности хвостохранилища, который включает в себя выполнение планировочных работ с использованием бульдозеров из парка машин предприятия. Направление движения бульдозера должно быть по возможности прямолинейным.

Грунт срезают на повышениях и перемещают в пониженные места хвостохранилища, такие как овраги, ямы и траншеи. При этом на отвале должно находиться некоторое количество грунта, но не более половины возможной загрузки, так как при большем количестве грунта трудно регулировать глубину резания.

После проведения грубой и чистовой планировки на окончательно выровненную площадку осуществляется доставка песчано-гравийной смеси фракцией 2-5 мм автосамосвалами с ближайшего месторождения-карьера. Нанесение и распределение гранулированного материала мощностью 10-15 см производится при помощи бульдозеров. Созданный капилляропрерывающий слой из гранулированного материала будет препятствовать капиллярному подъему минерализованной воды, однако со временем вымывание плодородного слоя грунта осадками приведет к заиливанию гранулированного материала, уменьшению средневзвешенного размера пор и, как следствие, капиллярный подъем возобновится.

Для полного разрыва капиллярных связей с токсичными грунтами хвостохранилища на спланированную поверхность укладывают нетканый иглопробивной геосинтетический материал толщиной 2-4 мм, плотностью от 150 до 450 г/м².

Выбор материала проводился согласно «Рекомендациям по применению, геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог», были определены требования к геосинтетичнскому материалу в зависимости от цели его применения.

Основными показателями свойств геосинтетических материалов, необходимых для замедления процесса эрозии грунтов и предотвращения взаимопроникания материалов контактирующих слоев, являются: поверхностная плотность полотна, его прочность при растяжении, удлинение при растяжении, однородность по поверхностной плотности.

Для условий хвостохранилища ОФ №3 также необходимо учитывать: коэффициент фильтрации, диаметр пор материала, стойкость к воздействию низких температур, стойкость к воздействию кислот и щелочей, водостойкость, вес стандартного рулона, цена на материал.

Для сравнения отобраны основные, применяемые в России геосинтетические материалы торговых марок: «Стабитекс», тканный материал, изготовленный из полиамида; «Дорнит», нетканый иглопробивной материал из полипропилена; «Текспол», нетканый материал из полиэфира.

Была проведена сравнительная характеристика геосинтетических материалов и представлена в таблице 3.

По функциональным назначениям для проведения рекультивационных работ на хвостохранилище ОФ№3 необходим геосинтетический материал со следующими показателями свойств: поверхностная плотность 300 г/м²; прочность на растяжение не менее 5 кН/м; относительное удлинение при одноосном растяжении 60-120%; коэффициент фильтрации 100 м/сут; диаметр пор 60-120 мкм; хорошая водоустойчивость, морозостойкость, устойчивость к агрессивной среде; низкая закупочная цена.

Наиболее подходящим по вышеперечисленным показателям является геотекстиль марки «Дорнит». Материал не подвержен горению, не гниет и не плесневеет, стоек к воздействию различных химических веществ, а также грибковых образований. «Дорнит» имеет структуру, обеспечивающую прочность, а также хорошие фильтрующие свойства, что позволяет использовать такой материал в различных сферах.

Нетканый геотекстиль «Дорнит» расправляется и укладывается по длине участка продольно или поперечно относительно оси насыпи. Раскатку рулона полотна на объекте выполняют вручную втроем с поэтапным закреплением материала на основании грунта анкерами. После каждого этапа раскладки рулона необходимо выравнивать материал, делать небольшое натяжение и крепить полотна между собой и к грунту. Каждое следующее полотно укладывается с перекрытием предыдущего на 0,3-0,5 с целью обеспечения непрерывности текстильного слоя.

Скрепление полотен геотекстиля между собой может осуществляться сварным методом или сшивным соединением встык. Крепление материала к грунтовому основанию осуществляется при помощи анкеров, которые устанавливаются через каждые 1,5-2 метра полотна на ширине перекрытия.

В дальнейшем осуществляется нанесение искусственного субстрата мощностью 10-15 см, изготовленного из потенциально-плодородного грунта, сапропеля, активного ила и старики в соотношении 60:20:10:10%. Доставка активного ила осуществляется с местной станции биологической очистки, сапропель с близ лежащей реки Ирелях, а доступность старики - сухой прошлогодней травы, обусловлена возможностью ее сбора на зарастающих отвалах и луговых площадках. Применение старики способствует задерживанию влаги в летний сезон, служит защитным слоем от морозов и ветров, а при гниении является источником питательных веществ; активный ил - имеет большое содержание биогенных элементов, особенно богат азотом и фосфорным ангидридом; сапропель - единственное органическое удобрение, применяемое для коренного улучшения почв.

Доставка субстрата на поверхность хвостохранилища осуществляется автосамосвалами, планирование созданного субстрата - бульдозерами.

Перемешивание и крошение нанесенного слоя субстрата на рекультивируемую поверхность осуществляется методом фрезерования, что улучшает водный, воздушный и тепловой режим грунта и активизирует микробиологические процессы в ней.

Во второй год после усадки искусственно-созданного капилляропрерывающего слоя и искусственного субстрата проводят подсыпку искусственного субстрата и биологический этап рекультивации. Для предотвращения разрушения созданного субстрата на поверхности хвостохранилища под действием процессов водной и ветровой эрозии необходимо закрепить рекультивируемую поверхность гидропосевом многолетних трав. При механизированном гидропосеве приготавливают взвесь семян и древесных волокон. Под мульчей хорошо сохраняется влага и почвы не перегревается, что создает оптимальные условия для роста и развития растений. На 1 га площади отвалов расходуется от 1200 кг древесных волокон и около 6000 литров воды с нормой высева многолетних злаковых трав, характерной для таежных почв - 70 кг/га. Для эксперимента были подобраны семена многолетних растений, наиболее пригодных для биологической рекультивации в зависимости от их биологических свойств, природно-климатических условий района и состава хвостов обогащения. В качестве тест-культуры была выбрана травосмесь следующего состава:

- полевица побегоносная, 10%

- мятлик луговой, 30%

- щучка дернистая, 10%

- овсяница красная, 20%

- кострец безостый, 20%

- лисохвост луговой, 10%.

За посеянными многолетними травами необходимо проводить наблюдение и осуществлять ежегодную подкормку в течение 3 лет комплексным удобрением 100 кг/га. В результате проведения рекультивации образуется плотная дернина, формируется устойчивый растительный покров на искусственном субстрате, который препятствует развитию эрозийных процессов.

Для проверки эффективности предложенного варианта экранирования проведен комплекс лабораторных и полевых исследований, для обоснования того, что последовательная укладка песчаного капилляропрерывающего слоя и геосинтетического материала является наиболее эффективным решением для предотвращения подъема минерализованных вод в плодородный слой почвы и негативного воздействия на растительные организмы.

Для оценки эффективности предложенных вариантов экранирования проведен эксперимент в аккредитованном ЦКП Горного университета в течение 70 суток. В лабораторных условиях сформирован модельный грунт, а на поверхности посеяны семена подобранных многолетних трав. За высаженными растениями проводились наблюдения и фиксировались основные показатели: температура и влажность воздуха в помещении, внешний облик растения, темп роста и повреждения. По окончании эксперимента с поверхности моделей отобраны пробы для дальнейшего исследования.

Для проверки результатов, полученных в лабораторных условиях, был проведен полевой эксперимент. Заложены опытные площадки на поверхности хвостохранилища и произведен посев семян подобранных многолетних растений. Эксперимент проводился на протяжении 40 суток. В ходе эксперимента осуществлялся мониторинг климатических условий: скорость ветра, влажность, температура, интенсивность выпадения осадков, интенсивность солнечного излучения. За высаженными растениями проводились наблюдения и фиксировались основные показатели, а также внешний облик растения, темп роста и повреждения. По окончании эксперимента с поверхности моделей отобраны пробы для дальнейшего исследования

Эффективность экранирования определяется по минимальному содержанию хлорид-ионов и сульфат-ионов, мигрировавших в нанесенный плодородный слой, а также по обильности произрастания и интенсивности последующего развития, засеянных на плодородном слое многолетних трав.

В таблице 4 представлены основные значения концентраций хлорид-ионов и сульфат-ионов, мигрировавших в нанесенный плодородный слой, а также значения биопродуктивность используемого субстрата

Из таблицы 4 видно, что оптимальным вариантом последовательной укладки песчаного капилляропрерывающего слоя и геосинтетического материала является наиболее эффективным решением для предотвращения подъема минерализованных вод в плодородный слой почвы и предупреждения негативного воздействия на развитие растительных сообществ. Полученные в ходе исследования результаты позволили выбрать оптимальный вариант создания изолирующих экранов и использовать его в предложенном техническом решении, которое является перспективным для возвращения территории отчужденных земель в хозяйственный оборот.

Предлагаемый способ прост в исполнении, применяемый геосинтетический материал экологически безопасен и нейтрален к агрессивным средам, при этом устойчив к разнице температур в пределах от -60 до +100°С, что способствует поддержанию прочностных характеристик изолирующего материала. Используемый субстрат в качестве удобрения при биологической рекультивации легкодоступен и достаточно эффективен из-за высокого содержания органического вещества.

Способ рекультивации хвостохранилищ позволяет использовать выбранный метод повсеместно с доступными экологически чистыми естественными материалами, помогает минимизировать ресурсные затраты на проведение работ и обеспечивает высокую эффективность данного способа, которая подтверждена результатами пылевых и лабораторных исследований.