Результат интеллектуальной деятельности: Способ защиты подземных вод от загрязнений из поверхностных хранилищ жидких отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при строительстве, эксплуатации и ликвидации поверхностных хранилищ жидких отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, а также при очистке загрязненных вод поверхностных водоемов.

В результате исследований, проведенных как в России, так и за рубежом, было установлено, что в попутных пластовых водах нефтегазоконденсатных месторождений, как правило, присутствуют токсичные и радиоактивные вещества (радий, уран, торий, продукты их распада), которые формируют накопления в амбарах и хранилищах жидких отходов различных объектов хозяйственной деятельности. Токсичные вещества, в частности, соединения тяжелых металлов (цинка, кадмия, меди и др.) также могут накапливаться в сточных водах и жидких отходах объектов переработки углеводородов. Кроме того, радиоактивные компоненты образуют отложения на технологическом оборудовании, при дезактивации которого получаются жидкие радиоактивные отходы. Реализация способа обеспечивает повышение уровня токсикологической и радиационной безопасности при разработке НГКМ и переработке углеводородного сырья.

Известен способ осаждения ионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод, заключающийся в том, что исходный раствор подвергают нейтрализации до величины 4,0≤РН≤2,0, одновременно с этим в исходный раствор разово вводят бентонитовую глину в количестве не более 5,0 г/дм³, осветленную водную фазу отделяют декантацией, а осадок многократно подвергают взаимодействию со следующими порциями исходного раствора до соотношения Ж:Т≤2:1 с последующей декантацией осветленной водной фазы (патент РФ №2104316, С22В 3/44, опубл. 10.02.1998).

Недостатком известного способа является низкая эффективность его использования для очистки сточных вод от токсичных компонентов и снижения фильтрационных свойств защитного экрана хранилищ жидких отходов.

Известен способ удержания тяжелых металлов, мигрирующих в техногенных потоках загрязнения, заключающийся в том, что на путях миграции потока создают поглотительный барьер за пределами источника загрязнения. Барьер представляет собой цепь скважин на расстоянии 4-5 м, в которые нагнетают гелеобразующие растворы с временем гелеобразования 1 1,5 ч (патент РФ №2050334, C02F 1/62, C02F 1/28, опубл. 20.12.1995).

Недостатком данного способа является невозможность снижения содержания токсичных или радиоактивных веществ, прогнозирования предельного времени эксплуатации территории, отведенной под складирование указанных отходов и высокая скорость миграции загрязнителей в грунтовой толще, перекрывающей водоносный горизонт.

Известен способ защиты от загрязнения подземных вод в районах складирования и захоронения отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества и устройство для его реализации, заключающийся в том, что в предполагаемом месте захоронения отходов создают экран, формируют наборы проб грунтовой толщи на глубину до первого водоносного горизонта защищаемой территории и наборы проб местных глин из ближайшего региона. Разделяют пробы грунтовой толщи защищаемой территории на слои, представленные различными литологическими разностями, а затем разбивают территорию на отдельные участки и для каждого из них определяют предельное время функционирования как естественного геохимического барьера. Способ позволяет прогнозировать предельное время эксплуатации территории и оценить скорость миграции загрязнителей в грунтовой толще.

Недостаток указанного способа заключается в том, что он не предусматривает возможность снижения содержания токсичных или радиоактивных веществ в жидкости.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ защиты подземных вод от загрязнений из поверхностных хранилищ жидких отходов, предусматривающий создание противофильтрационного экрана на внутренней поверхности хранилища и подачу после заполнения хранилища жидкими отходами активированного кислотными или щелочными растворами глинистого грунта, (патент РФ №2049026, МПК B65G 5/00, опубл. 27.11.1995). Способ снижает степень фильтрации загрязнений за пределы хранилища за счет снижения их содержания в жидкости хранилища.

Недостатком указанного способа является низкая степень снижения содержания растворенных токсичных и радиоактивных веществ в жидкости и недостаточная надежность противофильтрационного экрана из-за относительно высокого коэффициента фильтрации.

Задачей заявленного изобретения является создание способа защиты подземных вод от загрязнений из поверхностных хранилищ жидких отходов, содержащих токсичные и радиоактивные вещества, обеспечивающего снижение содержания загрязняющих веществ в жидкости и повышение надежности противофильтрационного экрана за счет снижения коэффициента фильтрации.

Реализация способа обеспечивает существенное снижение содержания загрязняющих токсичных и радиоактивных веществ в жидкой фазе и снижение фильтрации жидкости за пределы хранилища за счет улучшения физико-химических свойств противофильтрационного экрана.

Поставленная задача решается тем, что способ защиты подземных вод от загрязнений из поверхностных хранилищ жидких отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, включает создание на внутренней поверхности хранилища противофильтрационного экрана, подачу в хранилище после его заполнения жидкими отходами, содержащими токсичные или радиоактивные вещества, активированного глинистого грунта из расчета 10-15 кг на 1 м³ жидких отходов. Активацию глинистого грунта проводят путем введения в него водного раствора хлористого магния, сульфата алюминия и сульфата железа из расчета соответственно 2,0-6,0 кг; 1,4-4,5 кг и 1-4,5 кг на 1 т грунта, затем грунт обрабатывают известковым молоком из расчета 5-15 кг гидроксида кальция на 1 т грунта.

В заявленном способе используют:

- хлористый магний по ГОСТ 7759-73;

- сульфат алюминия по ГОСТ 12966-85;

- сульфат железа по ГОСТ 6981-94;

- известь негашеная по ГОСТ 9179-77.

При последовательной обработке глинистого грунта раствором, содержащего хлористый магний, сульфат алюминия и сульфат железа, известковым молоком на поверхности частиц грунта образуется активный мелкодисперсный абсорбционный слой, состоящий из гидроксидов магния, алюминия и железа, которые характеризуются высокими сорбционными свойствами (емкостью) по отношению к тяжелым металлам и радиоактивным веществам.

При подаче активированного природного глинистого грунта (глина, суглинок, глинистый песчаник, супесь и т.п.) в хранилище жидких отходов в процессе осаждения частиц грунта в жидкости хранилища происходит разделение частиц по фракциям и активные процессы сорбции токсичных и радиоактивных компонентов из жидкой фазы на поверхности частиц активированного грунта с образованием мелкодисперсной продукции с низкими фильтрационными и седиментационными свойствами.

При осаждении таких частиц на дне хранилища образуется мелкодисперсный глинистый слой с низкой проницаемостью, который выполняет функции противофильтрационного экрана, препятствующему проникновению загрязненных вод в подземные водоносные горизонты. При этом жидкость очищается от токсичных компонентов, а они находятся в связанном состоянии и прекращают свое движение в подземные воды и их загрязнение.

В результате такой очистки загрязненных жидких отходов предотвращается аэрозольный вынос загрязнений на окружающую территорию, происходит улучшение экологической обстановки на ней и непосредственно в самом хранилище.

Уменьшение расхода активированного глинистого грунта менее 10 кг на 1 м³ жидких отходов приводит к повышению коэффициента фильтрации экрана, при этом снижается степень очистки жидкой фазы от токсичных компонентов, а при увеличении расхода активированного глинистого грунта более 15 кг на 1 м³ отходов приводит к перерасходу материалов и реагентов.

При уменьшении расхода хлористого магния, сульфата алюминия и сульфата железа ниже их нижних пределов для активации грунта снижается эффективность очистки раствора от токсичных и радиоактивных веществ. А увеличение их расхода выше верхних пределов приводит к перерасходу реагентов.

Снижение расхода известкового молока ниже 5 кг гидроксида кальция на 1 т грунта для его активации не обеспечивает переход ионов магния, алюминия и железа в поверхностный абсорбционный слой грунта и тем самым снижается активность грунта и эффективность очистки раствора от токсичных компонентов. Увеличение расхода известкового молока более 15 кг гидроксида кальция на 1 т грунта приводит к перерасходу реагента.

Следует отметить, что при введении активированного грунта в токсичные растворы в процессе их обезвреживания образующиеся сульфат ионы реагируют с ионами бария, в случае их присутствия в системе, с образованием осадка сульфата бария, который является также активным сорбентом для радиоактивных веществ, что в свою очередь, повышает эффект дезактивации жидкой фазы.

Сущность заявляемого изобретения описывается следующим примером.

В качестве исходного раствора использовался модельный раствор, содержащий, мг/л: Zn - 61,80; Cd - 6,06; Cu - 3,01; Со - 2,04; Ni - 0,2. рН - 6,5, Удельная активность ~5×10⁶Бк/л.

В качестве глинистого грунта использовался суглинок с размерами частиц - 0,01-0,005 мм.

Для обезвреживания в мерный стакан диаметром 20 см и высотой 40 см заливают 7 л загрязненного раствора, вводят заданное количество предварительно активированного глинистого грунта из расчета 10-15 кг на 1 м³ раствора. Для активации грунт сначала обрабатывают водным раствором солей, содержащим, г/л: MgCl₂ - 20-40; Al₂(SO₄)₃ - 14-30; Fe₂(SO₄)₃ - 10-30, из расчета 0,10-0,15 м³ на 1 т грунта, затем вводят известковое молоко из расчета 5-15 кг гидроксида кальция на тонну грунта. После введения активированного глинистого грунта смесь отстаивают, жидкую фазу анализируют на содержание вредных компонентов. Затем осадок перемешивают и смесь фильтруют на вакуум-фильтре до получения плотного осадка. На полученный осадок наливают воду и определяют скорость фильтрации в нормальных условиях.

Исследования по изменению концентрации тяжелых металлов проводились по четырем основным компонентам исходного раствора - цинку, кадмию, меди и кобальта.

Полученные результаты исследований по обезвреживанию жидких токсичных отходов и определению фильтрационных характеристик осадков приведены в таблице.

Как видно из таблицы, содержание токсичных компонентов в жидкости кратно снижается до значений ПДК. Удельная активность жидкой фазы снижается до значений < 25 Бк/л, что ниже допустимых удельных активностей воды в соответствии с нормами радиационной безопасности НРБ-96. При этом коэффициент фильтрации осадка снижается в 7-12,5 раза.

Результаты исследований свидетельствуют об эффективности очистки жидкости от загрязняющих токсичных и радиоактивных веществ. Снижение фильтрационных характеристик осадка позволит повысить надежность противофильтрационного экрана.