СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ УЧАСТКОВ ХРАНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
METHOD FOR RECLAMATION OF SOLID HOUSEHOLD WASTE STORAGE AREAS

Изобретение относится к способам рекультивации участков хранения твердых бытовых отходов малых населенных пунктов и предназначено для защиты грунтовых вод от загрязнения.
В районах с плохо развитой транспортной инфраструктурой, где сложно организовать вывоз бытовых отходов, их переработку или размещение на крупных полигонах, вблизи небольших поселений возникают санкционированные и несанкционированные свалки, загрязняющие природную среду. Рекультивация таких участков при закрытии свалок заключается, как правило, лишь в изоляции поверхности отходов и посадке растительности.
Известен способ рекультивации мест хранения бытовых отходов, включающий сплошную планировку участка и изоляцию поверхности путем послойного нанесения речного ила, ила очистных сооружений и опилок (Патент РФ № 2612214, МПК A01B 79/02 - аналог).
Способ, как и все подобные, не предотвращает вынос загрязняющих веществ из тела свалки грунтовыми водами. Недостатком является и использование для изоляции ила очистных сооружений, в составе которого присутствуют загрязняющие вещества.
Известен способ обеззараживания бытовых и промышленных отходов, включающий исследование содержания в них вредных веществ, орошение поверхности отходов водой, содержащей обезвреживающие агенты, сбор, очистку и повторное использование воды, профильтровавшейся через отходы (Заявка на изобретение №90009473, МПК В09В 1/00 - аналог).
Недостатком способа является отсутствие защиты грунтовых вод от проникновения инфильтрата, содержащего вещества-поллютанты и продукты их обезвреживания, а также необходимость использования очистных сооружений. Кроме того, не все вещества-поллютанты могут быть обезврежены при обработке отходов на месте их складирования.
Известен способ создания водозащитного экрана в основании свалки отходов, включающий проходку скважин через тело свалки, создание в ее забое цементной пробки и порционное нагнетание тампонажного раствора, сопровождающееся подъемом обсадной трубы (Патент РФ №2400629, МПК Е21С 41/32 – аналог).
Способ имеет весьма ограниченное применение, так как известно, что инъецирование раствора эффективно лишь в грунтах с высокой водопроницаемостью – крупнообломочных грунтах, песках крупных и средней крупности (Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения/ Под. Ред. В.А. Ильичева, Р.А. Мангушева.- М.: Изд-во АСВ, 2016 – с.396). Для формирования сплошного экрана даже в указанных грунтах скважины должны располагаться на небольшом расстоянии друг от друга, что требует больших затрат при реализации способа. В частности, при устройстве противофильтрационных завес скважины размещают с шагом от 1,5 до 5 м (М.В. Чуринов. Справочник по инженерной геологии. М.: Недра, 1981 – с.265).
Известны способ рекультивации места размещения отходов и устройство для его реализации, в котором горизонтальный водонепроницаемый экран, защищающий грунтовые воды от попадания фильтрата, формируют путем цементации буросместительным методом придонных слоев отходов и верхнего слоя грунта основания (Патент США №US 9909277 B2, МПК Е02D 31/00, B09B 1/00 - аналог). При реализации метода используют шнек большого диаметра.
Недостатком способа является высокая трудоемкость буровых работ из-за небольшого шага перемещения буровой машины, связанного с необходимостью взаимного перекрытия зон цементации. Кроме того, на свалках, отсыпаемых без сортировки отходов, часто содержатся крупные включения, препятствующие проходке скважин.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ защиты грунтовых вод от загрязнения при инфильтрации атмосферных осадков на полигонах твердых отходов, включающий возведение контурной противофильтрационной завесы, прокладку трубчатого дренажа, отрывку канав, оборудование сборного резервуара, состоящего из отдельных секций, разделенных противофильтрационными завесами, и перекачку инфильтрата насосами (Патент РФ № 2336206, МПК B65G 5/00 - прототип).
Недостатком способа является обогащение атмосферных осадков, проникающих через толщу отходов в основание свалки, загрязняющими веществами, а также накопление этих веществ в грунте, заполняющем секции резервуара, при многократном обороте воды. Кроме того, способ отличает высокая трудоемкость оборудования участка.
Задачей изобретения является повышение эффективности мероприятий по рекультивации участка хранения твердых бытовых отходов за счет предотвращения загрязнения грунтовых вод веществами, содержащимися в отходах.
В способе рекультивации участка хранения твердых бытовых отходов, включающем оборудование открытого контурного дренажа и отрывку емкости для сбора и отвода воды, поверхность отходов выравнивают и в несколько приемов наносят на нее глинистую суспензию, после технологического перерыва, во время которого за счет кольматации подстилающего слоя грунта глинистыми частицами в основании формируется противофильтрационный экран, на отходы укладывают изоляционное покрытие с уклоном поверхности, обеспечивающим  сток атмосферных осадков в емкость, а на дно емкости расстилают полотнище геотекстиля и покрывают его слоем крупнообломочного материала.
Последовательность выполнения рекультивации иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан разрез участка в исходном состоянии; на фиг. 2 – то же, после отрывки емкости, выравнивания поверхности отходов и нанесения глинистой суспензии; на фиг. 3 – то же, после завершения рекультивации.
Способ осуществляется следующим образом.
До начала рекультивации участка, на котором твердые бытовые отходы 1 размещены на водопроницаемым грунте 2, следует установить положение кровли водоупора 3 и зеркала грунтовых вод 4, определить направление движения грунтовых вод 5.
Рекультивацию начинают с выравнивания поверхности отходов, отрывки дренажных канав 6 по контуру участка и емкости 7, например, колодца, котлована или другой открытой выработки. Емкость располагают со стороны выхода грунтовых вод из-под места размещения отходов, а дренажные канавы 6 соединяют с емкостью, обеспечивая свободный сток из них воды в емкость. Дно емкости из-за отсутствия изоляции остается проницаемым для воды.
На выровненную поверхность отходов в несколько приемов наносят глинистую суспензию, для приготовления которой используют высокодисперсную глину. После чего в ходе работ по рекультивации делают технологический перерыв. Количество наносимой суспензии и продолжительность технологического перерыва зависят от состава отходов и их водопроницаемости.
Во время перерыва глинистая суспензия проникает в основание свалки, формируя за счет кольматации пор в подстилающем отходы грунте, водонепроницаемый экран 8. Малопроницаемый для воды слой образуется и за счет накопления глинистых частиц в придонном слое отходов. Переносу глинистых частиц через слой отходов способствует инфильтрация дождевых и талых вод 9, попадающих на поверхность отходов. Технологический перерыв сопровождается мониторингом за процессом формирования экрана 8. При его недостаточной толщине или чрезмерной водопроницаемости нанесение суспензии на поверхность отходов выполненяют вновь.
После достижения экраном заданных параметров на поверхность отходов укладывают изоляционное покрытие 10, например, из чередующихся слоев водонепроницаемых и дренирующих материалов, таких как, глины, пески, различные типы геосинтетиков и др.
Покрытие укладывают с уклоном в сторону емкости таким образом, чтобы обеспечить сток в нее выпадающих на поверхность покрытия атмосферных осадков. По контуру покрытия отсыпают небольшие ограждающие дамбы 11, предотвращающие сток воды по откосам. Завершается рекультивация посадкой растительности.
Емкость из-за отсутствия изоляции дна является водопоглощающей. Скапливающиеся в ней дождевые и талые воды 12 питают водоносный горизонт чистой водой, снижая концентрацию веществ-поллютантов, проникших ранее в основание свалки. Появление локального повышения зеркала грунтовых вод под емкостью, называемого в гидрогеологии «водным бугром», приводит к замедлению движения грунтовых вод под местом хранения отходов, а значит, и снижению интенсивности выноса поллютантов из основания свалки. Локальный подъем зеркала может привести к тому, что поток грунтовых вод начнет огибать место складирования отходов и не будет обогащается загрязняющими веществами.
На дне емкости могут скапливаться мелкие частицы, переносимые водой из дренажных канав и ветром, что может привести к снижению поглощающей способности дна. Для сохранения водопроницаемости на дно емкости укладывается слой геотекстиля 13, а поверх него отсыпается пригрузочный слой крупнообломочного материала 14, например, гравия или щебня. Периодически, по мере накопления осадка на дне емкости, слои геотекстиля и крупнообломочного материала заменяются.
-3
-2
-4
-2
-2
Способность твердых бытовых отходов пропускать воду подтверждена многочисленными экспериментами и наблюдениями за инфильтрацией атмосферных осадков на свалках. При толщине слоя до 10 м, характерной для свалок небольших поселений, коэффициент фильтрации бытовых отходов изменяется от 10 до 10 см/сек или от 0,86 до 8,6 м/сут (Yang R, Xu Z, Chai J. A review of characteristics of landfilled municipal solid waste in several countries: Physical composition, unit weight, and permeability coefficient. Polish J Environ Stud 2018. https://doi.org/10.15244/pjoes/81089, fig. 5). Указанные значения характерны для водопроницаемых и сильноводопроницаемых грунтов (ГОСТ 25100-2011, табл. Б.7). Похожие значения коэффициента фильтрации приводят A.A.Fungaroli и R.L.Steiner - от 10 до 10 см/сек или от 0,09 до 8,6 м/сут (Fungaroli, A.A. and Steiner R.L. Investigation of sanitary landfill behavior/ Vol II: Supplement to final report. EPA 600/2-79-053b, US Environmental Protection Agency, Cincinnatu, Ohio, 1979. 117 p.). Несколько больший коэффициент фильтрации получен R. Koerner и W. Eith – (1,2…6,9)·10 см/сек или 10,4…59,6 м/сут (Koerner, R. M. and W.A. Eith. Drainage Capability of Fully Degraded MSW With Respect to Various Leachate Collection and Removal Systems, Geotech. Sp. 130:4233–4237, doi:10.1061/40782(161)46, 2005). Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности практически беспрепятственного проникновения суспензии через отходы.
Содержащиеся в суспензии мелкие частицы глины будут накапливаться в грунте, подстилающем отходы, а закупорка или кольматация пор приведет к образованию непроницаемого для воды слоя.
Согласно экспериментальным данным кольматация песков обычно наблюдается на глубину от 5 до 60 см, кроме того, изоляции основания способствует постепенное накопление глинистых частиц на поверхности песчаного слоя (Г.А.  Куприна Кольматация песков. М.: Изд-во МГУ, 1968, 174с., Ф.Р. Зайдельман Мелиорация почв. М.: Изд-во МГУ 2003, 480с., Rauch W, Stegner T. The colmation of leaks in sewer systems during dry weather flow. Water Sci. Technol., 1994. https://doi.org/10.2166/wst.1994.0022; Zaborskaya O, Nikitin A, Nevzorov A. Filter design impacton drainpipe water intake capacity. MATEC Web Conf., 2017. https://doi.org/10.1051/matecconf/201710607013).
Противофильтрационный эффект будет усиливаться вследствие накопления глинистых частиц в придонном слое отходов.
В предлагаемом способе формирование непроницаемого для воды слоя происходит не за счет нагнетания раствора или суспензии под высоким давлением за короткий промежуток времени, как в известных способах, а медленно – при инфильтрации суспензии и атмосферных осадков через отходы под действием собственного веса в течение технологического перерыва, продолжительность которого может составлять несколько месяцев.
Для приготовления суспензии следует использовать высокодисперсные глины, содержащие слоистые минералы, такие как, монтмориллонит, бентонит, сапонит и др. Указанные глины используются, например, для приготовления буровых растворов в геологии и строительстве. Концентрация глинистых частиц в суспензии с низким содержанием твердой фазы изменяется обычно от 20 до 60 г/л (А.Л. Неверов, А.В. Гусев и др. Буровые растворы с низким содержанием твердой фазы для бурения комплексами ССК на основе бентонитов Таганского месторождения, Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 1 (2013 6) pp. 95-106). Эксперименты Г.А. Куприной показали, что эффект кольматации песков глинистыми суспензиями проявляется уже при концентрации 0,01-1,0 г/л, а оптимальная концентрация глинистых частиц составляет 1-25 г/л и зависит от гранулометрического состава кольматирующихся грунтов и дисперсности кольматанта (Г.А.  Куприна Кольматация песков. М.: Изд-во МГУ, 1968, 174с.).
Для приготовления суспензии пригодны высокодисперсные вторичные продукты алмазодобывающей промышленности, в которых преобладает минерал сапонит (Коршунов А.А. Исследование седиментации тонкодисперсных отходов обогащения кимберлитовых руд месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова, Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2009. № 16 (35). С. 177-182.). В суспензию могут добавляться стабилизаторы, препятствующие коагуляции частиц (Смирнов С.И., Кряжев В.Н., Карлович С.В., Крюков С.В. Эффективность реагентов ЗАО «Полицелл» КМЦ и ПАЦ в буровых растворах различной степени минерализации // Бурение и нефть. 2019. № 3. С.18–22).
После завершения на участке всех технологических операций по рекультивации достигается следующее. Покрывающее отходы изоляционное покрытие препятствует инфильтрации через них дождевых и талых вод, предотвращая тем самым вынос загрязняющих веществ из тела свалки. Противофильтрационный экран, образовавшийся за счет кольматации пор в верхнем слое грунта основания, также препятствует миграции загрязняющих веществ в основание. Вода, попадающая в поглощающую емкость, пополняет водоносный горизонт чистой водой, снижая концентрацию загрязняющих веществ в грунтовых водах, а локальный подъем зеркала грунтовых вод приводит к тому, что поток грунтовых вод огибает место складирования отходов и не обогащается загрязняющими веществами.
Предлагаемый способ рекультивации участков хранения твердых бытовых отходов позволяет повысить эффективность защиты природной среды за счет надежной изоляции отходов, как сверху, так и снизу, а также за счет изменения режима грунтовых вод.
Способ рекультивации может применяться на накопителях нетоксичных твердых промышленных отходов.