Подземное захоронение жидких промышленных отходов как технология обеспечения экологической безопасности территорий Уральского региона

/98 Civil Security Technology, vol. 7, 2010, No. 4

УДК 621.039

Подземное захоронение жидких промышленных отходов как технология обеспечения экологическом безопасности территории Уральского региона

В. Б. Болтыров, О. А. Медведев

Аннотация

В статье рассматриваются возможности размещения жидких промышленных отходов (в том числе радиоактивных и токсичных) в глубокозалегающие среды с целью обеспечения экологической безопасности территории Уральского региона.

Ключевые слова: жидкие промышленные отходы, подземное захоронение.

Underground Dumping of Liquid industrial Waste as a Technology of Providing Ecological Security of the Urals Region Territories

V. Boltyrov, O. Medvedev

Abstract

Article views possibility of dumping liquid industrial waste (including radioactive and toxic) in deep layers for providing ecological security of the Urals region territories.

Key words: liquid industrial waste, underground dumping.

Побочными продуктами любых промышленных предприятий, особенно таких как химические, нефтехимические, нефте- и газодобывающие, металлургические, фармацевтические, гальванические, текстильные, бумажно-целлюлозные, животноводческие, пищевые и многие другие, являются неочищенные или недостаточно очищенные жидкие отходы, или сточные воды, которые обычно сбрасываются в поверхностные водоемы, чаще всего в реки, в расчете на их дальнейшее разбавление. В результате образуются различного рода загрязнения окружающей среды, и прежде всего поверхностных и подземных вод. При этом любое загрязнение сопровождается изменением естественных химических свойств воды за счет присутствия вредных примесей как неорганических (минеральные соли, кислоты, щелочи), так и органических (нефть и нефтепродукты, органические остатки производства, пестициды и др.).

С целью предотвращения загрязнения земной поверхности, открытых водоемов и пресных подземных вод жидкими промышленными, сельскохозяйственны-

ми и коммунально-бытовыми отходами допускается их подземное захоронение. Правовые аспекты подземного захоронения изложены в Положении об охране подземных вод (1985), в законах РФ «Об охране окружающей подземной среды» (1991), «О недрах» (1992, 1995) и других нормативно-правовых документах [1]. В 1997 г. в Госдуме РФ прошли парламентские слушания «Экологические проблемы подземного захоронения промышленных отходов в глубинные горизонты», на которых было отмечено, что подземное захоронение экологически опасных отходов на сегодня является эффективным природоохранным способом обращения с ними.

Подземное захоронение жидких промышленных отходов в глубокозалегающие водоносные (поглощающие) горизонты технологически близко к широко применяемому при добыче нефти методу подземного заводнения продуктивных горизонтов для поддержания пластового давления. Поэтому в 50-60-е годы прошлого века некоторые отрасли промышленности в развитых странах стали перенимать опыт нефтяников для удале-

ния жидких отходов, количество которых в связи с интенсивным развитием производства чрезвычайно возросло. Во многих странах загрязнение открытых водоемов, пресных подземных вод, почв и грунтов сточными водами к тому времени превратились в настоящее бедствие. В этой ситуации подземное захоронение сточных вод в глубокозалегающие горизонты, воды которых из-за высокой минерализации или токсичности не находят практического применения, явилось своевременным мероприятием, позволившим резко снизить темп роста загрязнения окружающей среды.

За рубежом подземное захоронение сточных вод получило наибольшее распространение в США. В 1959 г. там, кроме нескольких десятков тысяч нагнетательных скважин нефтяной промышленности, было всего шесть полигонов подземного захоронения сточных вод других отраслей, а в настоящее время их количество перевалило за 700.

Из общего числа поглощающих скважин в США 55 % используются для захоронения сточных вод химической, нефтехимической и фармацевтической промышленности; 20 — газовой, 7 — металлургической и 18 % приходится на прочие отрасли. Коллекторами для захоронения этих вод служат в основном осадочные породы: пески — 33 %, песчаники — 41, известняки и доломиты — 22 %. В магматические и метаморфические породы воды захороняются в редких случаях. По глубине поглощающие скважины распределяются так: до 305 м — 6 %, от 305 до 710 м —19; от 710 до 1 420 м — 26, от 1 420 до 2 130 м — 34, от 2130 до 4 260 м — 14, свыше 4 260 м — 1 %. По объемам закачки сточных вод скважины распределяются следующим образом (м3/сут.): до 300 — 28 %; от 300 до 600 — 14; от 600 до 1 200 — 30; от 1 200 до 2 400 — 23; от 2 400 до 4 800 — 3; более 4 800 — 2 %. Давление нагнетания на устье скважин, как правило, не превышает 4,0 МПа (77 % скважин); с давлением от 4,0 до 10,0 МПа работает 20 %, выше 10 МПа — 3 % скважин.

Подземное захоронение сточных вод широко распространено в Германии, Великобритании, Франции, Канаде, Японии [1].

В СССР исследования по выяснению возможности подземного захоронения сточных вод предприятий, не относящихся к нефтедобыче, начались в 50-е годы. Первоначально они были направлены на обезвреживание наиболее вредных жидких промышленных отходов — радиоактивных сточных вод атомной промышленности и токсичных вод химических производств. Проблема изучалась комплексно и всесторонне ведущими научными учреждениями страны в самых разных аспектах — геологическом, гидрогеологическом, химическом, санитарном.

В результате длительной кропотливой работы научных, проектных и производственных организаций в шестидесятые годы были построены и начали эксплуатироваться полигоны подземного захоронения Сибирского химического комбината (1963), Научно-исследовательского института атомных реакторов (1966), горно-химического комбината «Красноярск-26» (1967), Уфимского НПЗ (1967), ТПО «Пигмент» (1968), Троицкого йодного завода (1968) и др. [1].

Сибирский химический комбинат (Томск-7) находится в зоне сочленения Западно-Сибирской плиты и Саяно-Алтайской складчатой области. Для захоронения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) используются два песчаных пласта позднемелового возраста мощностью 30—40 м и 37—94 м, залегающих в интервале глубин, соответственно 350—400 м и 280—350 м. Воды, насыщающие пласты-коллекторы, пресные с минерализацией 0,3—0,4 г/дм3. Выше залегает толща переслаивающихся песчаных и глинистых пластов палеогенового, неогенового и четвертичного возраста. Два полигона захоронения ЖРО расположены в 3—5 км от производственного комплекса. На полигонах осуществляется подземное захоронение 4 500 м3/сут. ЖРО при давлении нагнетания 1,2—2,0 МПа. Некоторые виды концентрированных технологических жидких отходов закачиваются в скважины периодически порциями по 5—10 тыс. м3 несколько раз в год.

Научно-исследовательский институт атомных реакторов (НИИАР г. Димитровград) осуществляет захоронение радиоактивной воды на расположенном в 10 км от него полигоне. В качестве поглощающих горизонтов используются яснополянский горизонт и окско-башкирский комплекс (оба каменноугольного возраста) Восточно-Европейской платформы. Первый залегает на глубине 1 410—1 467 м и сложен песчаниками и алевролитами, второй — на глубине 1 138—1 194 м представлен трещиноватыми и кавернозными известняками и доломитами. Пластовые воды имеют минерализацию 230—250 г/дм3. В 1966—1973 гг. закачка стоков производилась в яснополянский горизонт объемом от 244 до 340 м3/сут., а с 1973 г. и по настоящее время — в окско-башкирский комплекс объемом от 320 до 960 м3/сут. при устьевом давлении нагнетания не выше 5 МПа.

Горно-химический комбинат «Красноярск-26» производит захоронение жидких радиоактивных отходов на полигоне «Северный», в 12 км от основного производства. Закачка отходов производится в два песчаных пласта юрского возраста мощностью 55—85 м и 25— 45 м, залегающих на глубине 355—500 м (I горизонт) и 180—280 м (II горизонт). К ним приурочены пресные подземные воды с минерализацией 0,3 г/дм3. Над поглощающими горизонтами развита песчано-глинистая толща юрского возраста. В I горизонт с 1967 г. закачивается около 300 м3/сут. ЖРО при устьевом давлении на скважинах — 1,2—5,0 МПа. Во II горизонт с 1968 г. захороняется до 600 м3/сут. ЖРО при устьевом давлении до 2,0 МПа.

Ситуация с подземным захоронением на «Красно-ярске-26» изучалась учеными и специалистами в рамках международного проекта «Радиационная безопасность биосферы» (проект RAD). Работы проекта RAD проводились тремя независимыми группами: учеными — специалистами Международного института прикладного системного анализа — неправительственной исследовательской организацией, расположенной в австрийском г. Лаксенбурге; Российской академией наук (ИГЕМ) и Минатомом (ВНИПИ промтехнологии). Исследования, выполненные по проекту RAD, подтвердили выводы российских ученых и специалистов, что глубинное захоронение РАО играет большую роль в пре-

Civil Security Technology, vol. 7, 2010, No. 4

дотвращении воздействия радиоактивности на окружающую среду, а сам метод захоронения ЖРО в глубокозалегающие геологические формации не создает угрозы для окружающей среды, являясь самой экологически приемлемой технологией обращения с ЖРО.

Один из руководителей проекта RAD профессор Паркер — известный американский ученый, председатель Совета по обращению с РАО Национальной академии наук США — отметил, что удаление жидких радиоактивных отходов в глубокие геологические формации в «Красноярске-26» не представляет ни краткосрочных, ни долгосрочных рисков для здоровья населения.

На протяжении многих лет находятся в эксплуатации полигоны подземного захоронения жидких промышленных отходов, построенные по разработкам ФГУП «ГНЦ «НИОПИК» (Москва). Это тамбовское ОАО «ПИГМЕНТ» (более 30 лет), новомосковское ОАО «ОРГСИНТЕЗ» (15 лет), ОАО «Заволжский химзавод» (10 лет), волжское ОАО «Волжский Оргсинтез» (более 5 лет) [1].

Опыт эксплуатации полигонов показал их исключительную санитарную и экономическую эффективность — снижение затрат, расхода сырья и энергии и т. п. в 10—40 раз по сравнению с другими методами при полном и окончательном выводе загрязнений из сферы активной жизнедеятельности людей.

Таким образом, изучение отечественного и зарубежного опыта по захоронению жидких отходов, не имеющих санитарно-надежных и экономически-приемлемых методов очистки, показывает экономичность и надежность обезвреживания промстоков различных промышленных предприятий путем закачки их в подземные горизонты без ущерба для окружающей среды и здоровья человека.

Как отмечается в работе [1], более половины территории России пригодно для использования метода захоронения жидких промышленных отходов в глубокозалегающие пористые геологические образования. Это прежде всего Восточно-Европейская, ЗападноСибирская и Сибирская платформенные области, где имеются надежно изолированные водоносные горизонты с пластами-коллекторами. Именно в таких геолого-гидрогеологических условиях размещаются уже функционирующие полигоны подземного захоронения жидких промышленных отходов [1].

Менее благоприятны для подземного захоронения геологические и гидрогеологические условия в складчатых областях, таких как Урал, особенно в районах, где отсутствуют крупные артезианские бассейны с относительно простым тектоническим строением и, наоборот, широко проявлена активная разломная тектоника, нарушающая изоляцию водоносных горизонтов как основного критерия безопасности процесса захоронения. В отдельных случаях интерес для поисков коллекторов могут представлять предгорные и межгорные впадины складчатых областей, особенно при наличии регионально выдержанных водоупоров, изолирующих водоносные горизонты нижней части осадочных чехлов.

Вместе с тем проблема обращения с радиоактивными отходами, в том числе и с ЖРО, особенно актуальна для Уральского региона, где накопились колоссальные концентрации РАО, по объему превышающие в десятки раз

выбросы радионуклидов при Чернобыльской аварии. Хранилища остеклованных РАО и отстойники для жидких отходов, имеющиеся на ПО «Маяк» в Челябинской области, не могут полностью решить проблему захоронения накопившихся и постоянно увеличивающихся объемов РАО на Урале. При этом жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) в силу их низкой активности зачастую просто сбрасываются в сеть открытых водоемов. Особенно показательна судьба озера Карачай и реки Теча. Огромное количество РАО, осевших на дне озера и реки, проникает в грунтовые воды. Их шлейф подбирается к водозаборным скважинам. Не спасают и фильтрационные дамбы, которые были построены в начале 60-х годов прошлого столетия. А в случае прорыва дамб местные жители могут получить дозу облучения, в 150 раз превышающую допустимую. Сейчас оз. Карачай постепенно засыпается, но для кардинального решения проблемы очистки территории в России просто нет средств. По оценкам специалистов, на «генеральную уборку» надо потратить не менее 100 млрд долл., что даже по мировым масштабам представляет неподъемную задачу.

Выход из этого положения, как отмечалось выше, видится в подземном захоронении ЖРО в глубокозалегающие пласты-коллекторы, выявленные на востоке Свердловской и Курганской областей в погребенной части складчатого Урала. Здесь в Зауралье целенаправленными усилиями специалистов Уральского филиала «Зеленогорскгеология» Федерального унитарного геологического предприятия «Урангеологоразведка» были закартированы мезозойские депрессионные эрозионно-тектонические структуры, в том числе палеодолинные, врезанные в палеозойский фундамент.

Ширина юрских палеодолин составляет сотни метров, а протяженность — несколько десятков км [2, 3]. Русла древних юрских рек погребены под мощной (400 м и более) толщей водоупорных красноцветных алевролитов и глин. Сами русла, врезанные в кристаллические породы палеозойского фундамента на 100—200 м, представляют собой протяженные корыто- или трубообраз-ные структуры, выполненные песчано-гравийным материалом. Именно последние благодаря высоким кол-лекторским свойствам могут стать вместилищами жидких промышленных отходов. Весьма благоприятными для захоронения жидких отходов также являются гидродинамический и гидрохимический режимы палео-русловых вод. Водонасыщенные русловые отложения характеризуются застойным режимом, солоноватыми и солеными водами преимущественно гидрокарбонатно-хлоридно-натриевого состава при восстановительной гидрохимической обстановке и повышенной щелочности. Все это при отсутствии гидродинамической связи юрского водоносного горизонта с вышележащими песчано-глинистыми отложениями свидетельствует о том, что выявленные природные коллекторы жидких отходов надежно изолированы от среды обитания человека и могут быть успешно использованы для захоронения любых жидких отходов, в том числе жидких радиоактивных. В 1993 г. в журнале «Геология рудных месторождений» (том 35, № 4) вышла статья А. К. Лисицина, С. Н. Маркова и Г. Ю. Попониной «Далматовское месторождение в Зауралье как пример геологической си-

туации, пригодной для безопасного захоронения радиоактивных отходов». В этой статье авторы дают описание Далматовского месторождения, отмечая его как пример законсервированного уранового оруденения, образовавшегося около 140 млн лет назад и надежно изолированного от экосферы [3]. Кроме того, авторы приводят уточненные критерии выбора геологических ситуаций для безопасного захоронения ЖРО. Так, они отмечают, что геологической средой для этого могут служить водоносные комплексы нижнего гидродинамического этажа, в которых продолжительность цикла водообмена больше времени распада радионуклидов до предельно допустимых концентраций или до верхнего предела естественного радиоактивного фона. Предпочтение должно отдаваться геологическим структурам древних и в меньшей степени молодых платформ, характеризующихся невысокой сейсмичностью и низким теплоэнергетическим потенциалом, который исключает возможность сколько-нибудь значительного конвективного тепломассопереноса по направлению к земной поверхности. Основной гидрогеологический критерий выбора таких площадей в пределах осадочного чехла — это наличие водоупорных толщ регионального распространения, под которыми имеются водоносные комплексы, насыщенные растворами с минерализацией не ниже исходных седиментационных вод, и пьезометрический уровень которых устанавливается ниже поверхности Земли. Площади с возможностью самоизли-ва подземных вод из скважин неблагоприятны для сооружения могильников РАО.

Идея захоронения ЖРО в пластах-коллекторах позднее была изучена В. Б. Болтыровым, В. И. Лещиковым, В. И. Лучининым и С. Н. Марковым и запатентована (патент 2122755 «Способ подземного захоронения жидких радиоактивных отходов». Заявка № 96102497 от 12.02.96) [5].

В настоящее время на урановых месторождениях Далматовское и Хохловское, руды которых размещаются в палеорусловых пластах-коллекторах, ГК «Росатом» и ЗАО «Далур», ведется промышленная добыча урана методом подземного сернокислотного выщелачивания. Для подтверждения выводов, сделанных в статье [3], необходимо убедиться во время этих работ в отсутствии микротрещинной гидродинамической связи над уран-содержащими залежами, позволяющей наиболее подвижному сульфат-иону беспрепятственно проникать в вышележащие горизонты, вплоть до поверхности Земли.

Появление микротрещинных зон проницаемости над урансодержащими залежами вполне возможно, потому что все урановые месторождения Зауралья локализуются над или вблизи разломов палеозойского фундамента, по которым из пород фундамента, возможно, поставлялись урансодержащие компоненты. Любые подвижки при блоковых перемещениях горных пород фундамента создают благоприятные условия для возобновления микротрещинных зон проницаемости в вышележащих отложениях платформенного чехла. Поэтому геологические ситуации Далматовского, Хохловского и других урановых месторождений и рудопроявлений Зауралья могут оказаться непригодными для безопасного захоро-

нения жидких радиоактивных и других промышленных отходов, содержащих опасные для здоровья человека компоненты. Однако проблему захоронения ЖРО в глу-бокозалегающих пластах-коллекторах разрешает наличие других палеодолин Зауралья, размещенных над без-разломными, сейсмически спокойными территориями палеозойского фундамента.

В связи с вышеизложенным основными задачами исследований ближайших лет являются:

1. Правильный выбор геологического участка недр с наличием соответствующей палеодолины с пластами-коллекторами с параметрами, обеспечивающими прием заданного количества ЖРО и надежной естественной или искусственной гидродинамической изоляцией пластов-коллекторов от вышележащих поверхностных вод.

2. Изучение и всестороннее описание пластов-коллекторов (литологический состав, строение, пористость, проницаемость и др.).

3. Изучение совместимости ЖРО с водами и породами пластов-коллекторов, исключающей неконтролируемый разогрев, кольматацию и другие опасные явления.

4. Создание математических и компьютерных моделей поведения ЖРО и других жидких промышленных отходов в пластах-коллекторах.

Работа проводилась при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (гос. контракт № 02.740.11.04.93).

Литература

1. Гидрогеологический контроль на полигонах закачки промышленных сточных вод. РД 51-31323949-48-2000.

2. Долбилин С. И. История поисков, разведки и разработки месторождений урана на Урале. Разведка и охрана недр. 2005. № 10. С. 11-18.

3. Лисицин А. К., Марков С. Н., Попонина Г. Ю. Далматовское месторождение в Зауралье как пример геологической ситуации, пригодной для безопасного захоронения радиоактивных отходов // Геология рудных месторождений, 1993. Т. 35. № 4. С. 360-367.

4. Обращение с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом // Информационно-аналитический сборник. М.: ЦНИИ Атоминформ, 2000. 107 с.

5. Болтыров В. Б., Лещиков В. И., Лучинин В. И., Марков С. Н. Патент 2122755. Россия, кл. G 21 F 9/24 № 96102497/25. Заявлено 12.02.1996. Опубликовано 27.11.1998. Бюллетень № 33.

Сведения об авторах

Болтыров Владимир Босхаевич: д.геол.-мин.н., профессор, Уральский государственный горный университет, Уральский филиал ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с.н.с. 620100, г Екатеринбург, ул. Большакова, 11а. E-mail: vniipurc@mail.ru

Медведев Олег Анатольевич: Уральский филиал ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), начальник филиала. 620100, г Екатеринбург, ул. Большакова, 11а. E-mail: vniipurc@mail.ru