ХРАНИЛИЩЕ ОТХОДОВ ЗАГЛУБЛЕННОГО ТИПА И СПОСОБ ЕГО СОЗДАНИЯ
BURIED WASTE STORAGE AND METHOD OF ITS CREATION

1. Область техники
Предлагаемое изобретение предназначено для использования в городском промышленном коммунальном хозяйстве путем создания хранилища твердых бытовых и промышленных отходов (ТПБО). Для создания предлагаемого типа хранилища обязательным является выявление геологических условий, при которых верхняя толща четвертичных песчано-глинистых отложений, располагаемая на глубине порядка 20÷50 м, подстилается выдержанным региональным водоупором.
2. Уровень техники
Существуют защищенные патентами различные предложения по способам изоляции дна, бортов и склонов хранилища.
В патенте RU 2337419 предлагается закладка хранилищ на поверхности земли с геологическим барьером из покровных суглинков в его основании, используемым в качестве сорбционного экрана с подготовкой пород барьера для достижения требуемых фильтрационно-сорбционных свойств, которые обосновываются исходя из того, чтобы время заполнения экранирующего слоя сорбируемыми компонентами не превосходило времени заполнения хранилища. Недостатки этого предложения: 1) после исчерпания сорбционной емкости грунтов экрана он перестает играть роль гидрохимического барьера и становится дополнительным источником загрязнения подземных вод; 2) не задерживаются в таком экране и беспрепятственно поступают в грунтовые воды несорбируемые токсичные компоненты.
В патенте RU 2235610 предлагается разработка котлована для хранилища с сооружением защитного экрана и дренажного основания по его дну и бортам с последующей разбивкой котлована на отдельные секции. Это решение предлагается для укладки отходов с низкой плотностью. Недостатками этого предложения, рассчитанного в основном на отходы низкой плотности, являются необходимость создания искусственного экрана и неполнота дренирования фильтрата предлагаемым дренажным устройством.
В патенте RU 2344238 предлагается устройство двухслойного геологического барьера, причем, по меньшей мере, один из его слоев выполняется из геосинтетических материалов, а также предусматривается средство для перемещения жидкости на выходе из барьера. Недостатком здесь является, кроме устройства искусственного барьера, неопределенность технического решения задачи отвода воды на выходе из барьера.
В патенте RU 2336206 предлагается располагать складируемые отходы в резервуаре, который выполняют из отдельных секций, разделенных противофильтрационными завесами, с трубчатым дренажом, располагаемым по контуру завесы. В этом предложении хранилище отходов располагается на поверхности земли и в устройстве его противофильтрационной защиты никак не учитываются геологические условия территории хранилища.
Наиболее близкими к предлагаемому в настоящей заявке решению проблемы противофильтрационной защиты закрытого полигона твердых бытовых отходов (ТБО) является предложение МосВодоканалПроекта (Л.И.Монгайт, Б.А.Вайсфельд. Депонирование осадков сточных вод (на примере полигона "Марьино") / «Экология и промышленность России», №10, 1999 г.) по депонированию илового осадка в районе «Марьинский парк» гор. Москвы. В этом проекте для хранилища осадков канализационных стоков сооружен котлован до регионального водоупора (юрских глин) с оставлением целика песчаных пород глубиной до 6 м. Для защиты от притока грунтовых вод в котлован создана противофильтрационная завеса способом «стена в грунте», прорезающая водоносный пласт до водоупора (на глубину примерно 20 м). Кроме того, для дренирования хранилища используется система вертикального дренажа. Эксплуатация этой системы обнаружила ее низкую эффективность, причем так и не была доказана целесообразность устройства завесы, что привело к существенному удорожанию строительства хранилища из-за устройства завесы, при этом вертикальный дренаж из-за малого притока к скважинам работал в крайне неравномерном режиме насосов в скважинах. Здесь следует отметить низкую эффективность системы откачки в сочетании с устройством фильтрационной завесы, что приводит к высоким эксплуатационным расходам на единицу объема откачанного фильтрата.
Близким к заявляемому здесь техническому решению является предложение В.М.Шестакова (В.М.Шестаков. Депонирование промышленных отходов в заглубленных хранилищах / «Экология и промышленность России», №3, 2000 г.), в котором хранилище закладывается непосредственно на региональном водоупоре (юрские глины) с горизонтальным пластовым дренажом в основании тела хранилища. В качестве недостатков этого предложения можно отметить отсутствие сорбционного экрана на дне хранилища и необходимость устройства дренажа под всей поверхностью дна хранилища.
Раскрытие изобретения
3. Сущность изобретения
В предлагаемом типе хранилища твердые отходы укладываются в предварительно вырытый котлован, в нижней части которого оставляется целик суглинистых и/или глинистых грунтов, под которым находится песчаный слой. Хранилище сооружается таким образом, что фильтрат из хранилища проходит через глинистый экран, в котором задерживаются хорошо адсорбируемые токсичные компоненты. После этого фильтрат поступает в горизонтальные трубчатые дрены, закладываемые в нижележащий песчаный слой по контуру хранилища под защитой водопонижения. Для этих целей производят дополнительно вскрытие прорезей в этом целике (играющем роль сорбционного экрана) по контуру котлована до песчаного слоя для закладки горизонтальных дрен на глубине 1-2 м.
В эти же дрены поступает фильтрационный поток из окружающей хранилище территории. Из дрен вода поступает в шахты, из которых насосами откачивается на поверхность земли, где, при необходимости, перед сбросом в близлежащий водоток проходит дополнительную очистку. Таким образом, в предлагаемом техническом решении предусматриваются два этапа очистки фильтрата. Первый этап осуществляется, когда очистка происходит на целике глинистых и/или суглинистых грунтов, которые играют роль сорбционного (фильтрующего) экрана, причем в нем используется естественная сорбционная емкость глинистых пород. На завершающем этапе при необходимости используется дополнительная очистка фильтрата в очистных сооружениях. После заполнения хранилища производится рекультивация его поверхности с покрытием зелеными насаждениями.
Выемка грунта под котлован производится под защитой строительного водопонижения. В качестве такового могут использовать системы контурных дренажных скважин или этажные иглофильтры.
4. Новизна предложения
По сравнению с существующими решениями по устройству хранилищ закрытого типа новым является особое устройство основания хранилища. Оно предусматривает:
- наличие, по меньшей мере, двух естественных экранов, а именно: по меньшей мере, одного - сорбционного - непосредственно в основании хранилища и второго, расположенного ниже, - в виде естественного водоупора, практически исключающего перетекание фильтрата через него в нижележащие водоносные горизонты;
- устройство горизонтального дренажа между этими экранами (или, если сорбционных экранов несколько, между нижним из сорбционных экранов и региональным водоупором) для отвода фильтрата и притекающего фильтрационного потока;
- наличие естественного водоупора.
В качестве дополнительной защиты от загрязнения фильтратом предусматривается использование очистных сооружений на поверхности земли. Такое устройство хранилища, основанное на наиболее полном использовании естественных возможностей гидрогеологического и инженерно-геологического строения выбранного по изобретению участка, позволяет исключить необходимость сооружения искусственного экрана по дну хранилища, что существенно снижает расходы на создание хранилища. При наличии в верхних частях разреза проницаемых (песчаных или песчано-гравийных) пород может быть предусмотрено их экранирование в бортах откосов хранилища.
Преимуществом такого типа хранилища является естественный характер экранов, что предохраняет от практически обязательных недостатков искусственно сооруженных барьеров, которые обусловливаются сложностью технологии их устройства и высокой стоимостью. Таким образом, в предлагаемом решении реализуется возможность отказа от дорогих искусственных экранов и максимальная защита подземных вод от техногенного загрязнения.
Принцип предлагаемого решения, обеспечивающий его эффективность, исходит из возможно более полного использования строения геологической среды для управления потоком фильтрата из хранилища. С этой целью применяется система двух естественных экранов в основании хранилища: сорбционного экрана в дне хранилища и регионального водоупора под ним с естественным дренажным слоем и горизонтальными дренами между ними. Фильтрат, проходя через, по меньшей мере, один фильтрационный (сорбирующий) экран, отдает адсорбируемую часть токсичных компонентов, после чего, с учетом защиты от перетекания вниз региональным водоупором, поступает в горизонтальные дрены. Далее откачкой из дрен фильтрат подается на очистные сооружения, где доводится до состояния, пригодного для сброса в ближайшие естественные водотоки. Кроме того, внешний приток к горизонтальным дренам служит гидравлическим барьером для защиты от проникновения фильтрата в горизонт грунтовых вод.
После заполнения хранилища до уровня поверхности земли проводится полная рекультивация территории. При этом уровень воды в дренаже поддерживается на глубине, необходимой для требуемого мелиоративного эффекта на окружающей территории.
5. Технический результат
Предлагаемый здесь способ создания хранилища и эксплуатация заявленного по изобретению хранилища позволяют получить ряд положительных эффектов и преимуществ экологического и экономического характера. Прежде всего, это относится к защите водоносных горизонтов от поступления фильтрата: исключается попадание фильтрата в грунтовые воды за счет влияния гидравлического барьера, осуществляемого потоком к горизонтальным дренам; за счет перехвата просачивающегося через сорбирующий экран фильтрата горизонтальными дренами и экранирующего влияния регионального водоупора существенно уменьшается попадание загрязненного фильтрата в нижележащий водоносный горизонт. В отдельных случаях, сопряженных с повышенным риском попадания загрязненных вод из верхних слоев хранилища в грунтовые воды, обусловленным гидравлическими условиями конкретного хранилища, могут быть предусмотрены дополнительные мероприятия по устройству гидроизоляции бортов хранилища, а само хранилище дополнительно включать эту гидроизоляцию.
Следует отметить, что полностью исключить возможность просачивания некоторого количества фильтрата через водоупор в таких хранилищах нельзя при любом способе противофильтрационной защиты и эту возможность следует оценивать в каждом случае специальными расчетами; при этом a priori исключается возможность использования таких хранилищ для хранения высокотоксичных, в частности высокорадиоактивных, стоков.
Кроме того, в такой системе противофильтрационной защиты хранилища проявляется возможность сброса экологически чистых остатков обработанного фильтрата в естественные водоемы и водотоки с минимальным расходом средств на его очистку на инженерных сооружениях, а также мелиорация окружающей территории, составляющих исходно неудобные для использования земли, включая площадь поверхности хранилища.
Существенно, что за счет максимального использования геологического строения эти благоприятные последствия достигаются с наименьшими затратами по сравнению с хранилищами, оборудуемыми искусственными экранами.
Таким образом, заявленный технический результат реализуется хранилищем ТПБО заглубленного типа, основание которого включает:
- региональный водоупор,
- песчаный слой над ним,
- по меньшей мере, один слой суглинистых и/или глинистых отложений в качестве сорбционного экрана над песчаным дренирующим слоем,
- систему горизонтальных трубчатых дрен, закладываемых в песчаный слой по контуру хранилища, подводимых к шахтам, обеспечивающим возможность подачи фильтрата на поверхность.
Указанное хранилище ТПБО дополнительно может быть оборудовано очистными сооружениями на поверхности для очистки фильтрата перед сбросом его в водоем.
Заявленный результат достигается способом создания хранилища ТПБО заглубленного типа, при котором производят:
- поиск регионального водоупора на основании гидрогеологических материалов по оценке перетекания через водоупор,
- изучение инженерно-геологического разреза грунтовой толщи до водоупора с выявлением наличия экранирующих и фильтрующих слоев в основании будущего хранилища,
- выемку грунта под котлован до достижения, по меньшей мере, одного целика глинистых и/или суглинистых пород, представляющего собой естественный сорбирующий экран,
- дополнительное вскрытие прорезей в этом целике по контуру котлована до песчаного слоя под нижним из фильтрующих слоев для закладки горизонтальный дрен;
- устройство горизонтального трубчатого дренажа по контуру котлована хранилища с шахтами для расположения насосов.
В способе создания хранилища может быть дополнительно предусмотрено, что выемку грунта под котлован производят под защитой строительного водопонижения. При этом в качестве защитного строительного водопонижения могут использовать системы контурных дренажных скважин или этажные иглофильтры.
6. Краткое описание чертежа
В заявке приведена фигура, на которой представлен в схематичном виде разрез заглубленного дренируемого хранилища ТПБО. На схеме котлован под ТПБО обозначен цифрой 1, он сооружается в толще песчано-глинистых отложений, в нижней части которых имеется глинистый слой. Вся толща обозначена цифрой 2. Целик глинистых и/или суглинистых пород, представляющих естественный сорбирующий экран на дне котлована, обозначен как 2а. Нижний фильтрующий песчаный слой, в котором закладывается горизонтальный дренаж, обозначен цифрой 3, региональный водоупор - цифрой 4. Горизонтальный трубчатый дренаж по контуру котлована хранилища с шахтами для расположения насосов обозначен на фигуре цифрой 5. Место расположения временного строительного дренажа обозначено цифрой 6.
7. Пример возможного осуществления изобретения
Приводимый ниже пример не ограничивает возможные применения Формулы изобретения и лишь иллюстрирует заявленное изобретение.
На примере Московской области рассматривается возможное сооружение хранилища ТПБО предлагаемого типа. На этой территории достаточно широко распространен региональный водоупор, представленный юрскими глинами. По данным региональных гидрогеологических исследований на водораздельных пространствах юрские глины представляют собой практически водоупорный слой. Особенно широко они представлены на западных, северных и юго-восточных территориях области. Основными условиями пригодности территории для сооружения хранилища ТПБО предлагаемого типа являются: наличие водоупора, т.е. толщи водонепроницаемых или слабоводопроницаемых пород, изолирующих друг от друга водоносные горизонты.
-1
-7
-7
-6
-6
-5
-5
-4
-7
-3
-3
По данным «Геолинк Консалтинг» (И.С.Пашковский) составлена «Картограмма коэффициента перетекания юрских отложений», на которой показаны территории распространения юрских водоупорных глин с величинами коэффициента перетока χ=k/m в сут (k - коэффициент фильтрации, m - мощность отложений): в диапазонах от менее 10, от 10 до 10, от 10 до 10, от 10 до 10, от 10 до 10, менее 10.
В результате изучения указанных выше данных может быть выбран для создания хранилища один из участков, пригодных для реализации предлагаемого технического решения. Он располагается вблизи пос. Подрезково в Химкинском районе. Геолого-гидрогеологическое строение территории:
- покровные суглинки, возраст QII-III, мощность 2-3 м;
4
- суглинки московской морены, возраст QII, мощность 12 м;
3
- флювиогляциальные пески, возраст QII, мощность 8 м;
2
- суглинки днепровской морены, возраст QII, мощность 9,0 м;
1
- пески, возраст K, мощность 8 м;
2-3
- глины, возраст J, мощность 30 м,
3
- известняки, возраст C, мощность 100 м.
На прилагаемой фигуре покровные суглинки, суглинки московской морены, флювиогляциальные пески и суглинки днепровской морены показаны вместе как песчано-глинистые отложения и обозначены цифрой 2. Слой песков мелового возраста обозначен на фигуре цифрой 3, а слой юрских глин, представляющий региональный водоупор, на фигуре обозначен цифрой 4.
На рассматриваемой территории развиты два водоносных горизонта: безнапорный горизонт в песках четвертичного и мелового возраста на глубине 20 м от поверхности земли, который используется местным населением для нецентрализованного водоснабжения, и высоконапорный горизонт в каменноугольных известняках с напорным уровнем 30 м, являющийся на этой территории эксплуатируемым водоносным горизонтом централизованных водозаборов. Защите от загрязнения фильтратом из хранилища подлежат оба водоносных горизонта.
-7
-6
-1
-6
-5
Коэффициент фильтрации меловых песков по данным обзорных работ по Москве и области составляет 3÷10 м/сут, что достаточно для устройства горизонтального дренажа. Коэффициент перетока юрских глин на данном участке согласно «Картограмме» составляет от 10 до 10 сут  или коэффициент фильтрации глин в вертикальном направлении 3×10÷3×10 м/сут, т.е. слой глин на участке может считаться практически непроницаемым водоупором.
Котлован под хранилище (цифра 1 на фигуре) сооружается до кровли суглинков днепровской морены (обозначены как 2а). Сооружение котлована и устройство горизонтальных дрен проводится под защитой вертикального дренажа, закладываемого по контуру котлована на участках, обозначенных на фигуре цифрой 6, в меловых песках (цифра 3 на фигуре). После завершения сооружения горизонтального дренажа скважины вертикального дренажа демонтируются. Суглинки внутри котлована, обозначенные на фигуре как 2, будут служить сорбирующим слоем. Глубина котлована под хранилище составит 30-31 м. Меловые пески являются в данном случае дренирующим слоем. По контуру котлована в слое днепровских суглинков делается прорезь с заглублением в меловые пески до 2 м для прокладки горизонтальных дрен. На такую же глубину, что и дрены, закладываются колодцы для насосов. Созданное указанным здесь способом хранилище реализует технический результат по изобретению и является хранилищем ТПБО предлагаемого типа.