СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ
METHOD FOR BURIAL OF LIQUID WASTES

Изобретение относится к области охраны окружающей среды от загрязняющих поверхностную гидросферу стоков с городских территорий. Обеспечивает повышение эффективности захоронения жидких отходов (стоков) в геологической депонирующей среде. Сущность изобретения: способ включает использование для захоронения жидких отходов (стоков с городских территорий) карстовую среду (карстовый массив), путем закачки в него жидких отходов через скважины с возможным последующим извлечением и переработкой накопленных объемов осажденных в ловушках веществ (газа, нефтепродуктов, металлов).
Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего наиболее эффективное захоронение жидких стоков в литосфере.
Решение этой задачи достигается тем, что для захоронения жидких стоков используют специально подготовленную карстовую среду (карстовый массив), путем закачки в него отходов (стоков) через специальные скважины.
Известны различные способы подземного захоронения промышленных и городских жидких отходов. К наиболее распространенным из них относятся: закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты; захоронение стоков в рыхлых породах зоны аэрации большой мощности (за счет использования сорбционной емкости вмещающих пород); захоронение отходов в искусственно созданные емкости в слабопроницаемых глинистых и соленосных породах (с помощью механической выемки пород, гидроразрыва пласта, подземных взрывов или растворения соли); захоронение в отработанные горные выработки (шахты, рудники); использование отдельных видов сточных вод в системе заводнения нефтяных пластов на нефтепромыслах.
Среди указанных способов к близким аналогам заявленного изобретения относятся способы:
1) Способ подземного захоронения жидких отходов путем их закачки через поглощающие скважины в пласты-коллекторы (Гольдберг В.М., Скворцов Н.П., Лукьянчикова Л.Г. Подземное захоронение промышленных сточных вод. - М.: Недра, 1994. - 282 с);
2) Способ подземного захоронения жидких бытовых и дождевых стоков (СССР N 2174939, 1999), в котором бытовые и дождевые стоки подвергаются не только захоронению, но и некоторой очистке, и даже определенной переработке.
Общим основным недостатком этих способов является ограниченная область применения, связанная с переработкой только органических загрязняющих веществ и малая эффективность захоронения жидких стоков.
3
2
3
Кроме этого к недостаткам необходимо отнести довольно низкие параметры таких технологий: их производительность составляет 20-35 м/час жидких стоков (при давлениях 40-60 атм.). Параметры поглощающего коллектора имеют следующие значения: коэффициент водопроводимости - 1,3-4,3 м/сутки, коэффициент фильтрации - 0,06-0,2 м/сутки, а коэффициент приемистости - 0,5-3,8 м/час атм.
Использование карстовой среды в данном способе обусловлено широкой развитостью таких массивов в литосфере.
2
В частности, общая площадь карстующихся пород в Архангельской области составляет более 100 тыс. км. Они включают массивы, сложенные однородными карбонатными, либо сульфатными породами, а также переслаивающимися карбонатно-сульфатными породами (при некотором доминировании сульфатов).
2
2
2
Отметим, что формации карбонатных пород Архангельской области занимают площадь 74.0 тыс. км, а сульфатных и карбонатно-сульфатных пород - 8.9 тыс. км. Породы со смешанной карбонатно-терригенной и сульфатно-терригенной основой занимают 17.2 тыс. км
Содержание в этих отложениях водорастворимых минералов (гипса, ангидрита и доломита) составляет порядка 30%. Таким образом, можно говорить о существовании реальной возможности формирования техногенных карстово-суффозионных полостей в отдельных интервалах геологического разреза.
2
3
2
3
Карстовые породы представляют собой светло-серые или темно-серые массивные, реже слоистые, мелкокристаллические разности с хаотической трещиноватостью, почти полностью состоящие из кальцита. При этом известняки характеризуются высоким (до 55%) содержанием СаО и незначительным содержанием AlO - 0.54% и FeO - от 0.04 до 0.10%.
Широко развитая сеть природных трещин и карстовых пустот в таких массивах способствует интенсивной циркуляции захораниваемых сточных вод, образующих сравнительно мощный подземный поток.
Верхним водоупором для них служат суглинистые и глинистые отложения, мощностью от первых метров до 13-15 м. Глубина залегания нижнего водоупора составляет 120-150 м.
Также широко развиты карстовые массивы в Прикаспии (фиг. 1). В частности, карст в районе г. Атырау (Казахстан) обусловлен выходом на дневную поверхность осадочных пород позднепалеозойского возраста, представленных нижнепермскими гипсами кунгурского яруса. Гипсы, вследствие проявления соляной тектоники, оказались подняты на дневную поверхность и составляют верхнюю часть кепрока солянокупольного массива, в котором интенсивно протекают современные карстовые процессы.
Так, по данным А.В. Белоновича, в карстовом массиве района озера Баскунчак выделяются 2 водоносных горизонта, за счет которых идет развитие карста.
Верхний горизонт, соответствующий зоне свободного водообмена, имеет мощность от первых метров до 45 м. Минерализация вод этого горизонта составляет от 0,6 до 2,3 г/л.
Нижний горизонт имеет мощность от первых метров до 90-100 м. Воды этого горизонта имеют минерализацию от 30 до 380 г/л. Они обуславливают развитие специфических карстовых форм в соляной толще, а также формируют современный рельеф соляного зеркала и деформируют кепрок Баскунчакского соляного диапира.
Пустоты (карстовые или другого происхождения) такого массива обычно представляют собой разно уплотненные участки пластов горных пород, чаще всего заполненные водой. Полости могут быть выполнены в виде пустот или массива сильно трещиноватой структуры.
Необходимо отметить, что карстовые формы весьма разнообразны. Они представлены каррами, воронками, котлованами, вертикальными трубообразными и горизонтальными пещерообразными полостями.
3
Имеются карстовые полости довольно больших (500×200 м, с объемом свыше 1-2 млн. м) размеров, свободные или заполненные отложениями палеогена и блоками мела. Палеогеновые породы в карстовых полостях зачастую представлены глинами зеленого, черного, малинового цвета и мелкозернистыми глинистыми песками самых всевозможных цветов и оттенков.
При чем карбонатные породы в зоне контактов с карстовыми полостями чрезвычайно ослаблены густой трещиноватостью.
3
В этих условиях поступление сточных вод через специальные скважины (с производительностью 50-120 м/г) в такой карстовый массив приводит к появлению сосредоточенного фильтрационного потока в зоне контакта несвязных пород с карстовой полостью.
При поступлении жидких стоков в область хорошо растворимых пород карстового массива обуславливает появление в нем нисходящего фильтрационного потока. Когда он достигнет достаточной скорости, то в карстовом массиве начинается развитие суффозионного процесса в виде фильтрационного разрушения или растворения несвязных пород внутри обрабатываемой зоны, имеющей форму вытянутого по вертикали эллипсоида.
Это обстоятельство обусловлено тем, что химический состав (табл. 1) захораниваемых городских вод (ливневка) имеет преимущественно гидрокарбонатный, сульфатно-гирокарбонатно-хлоридный, хлоридно-кальциевый, натриево-кальциевый, магниево-кальциевый, что является довольно агрессивным для пород карстового массива.
Причем закачиваемые сточные воды довольно агрессивны по отношению к кальциту и поэтому в карстовом массиве преобладают процессы растворения известняков. При этом наблюдается определенные изменения в составе карстового массива: карбонаты кальция и магния растворяются гораздо медленнее, чем сульфаты. А мергель, благодаря содержащемуся в нем глинистому веществу, имеет свойство набухать увеличивая свой первоначальный объем: при этом имеющиеся в нем мелкие трещины, по которым циркулирует сточные воды, постепенно закрываются.
Способ осуществляется следующим образом
Методами геофизики первоначально выделяют карстовый массив горных пород (фиг. 2) обладающий определенной проницаемостью, с обеспечением должного режима фильтрации по трассе миграции стоков. Который не должен выходить на дневную поверхность ближайшей (в радиусе 20-30 км) окрестности или иметь связь с рекой. При этом пласт-коллектор представленный соляно-мергельной толщью, залегающий под глинами - 1, выполненный в основном известняками, гипсом, ангидритом и каменной солью, обладающими системой природных трещин - 2. В его нижней части циркулируют рассольные воды так называемого карстового рассольного горизонта - 3, находящиеся в зоне затрудненного водообмена, которая расположена в самой нижней части соляно-мергельной толщи и сложена проницаемыми водоносными прослоями мергелей, гипсов и непроницаемыми прослоями глин. Необходимо отметить широкую развитость таких массивов (образований).
После определения структуры и состава карстового массива формируют трассу миграции сточных вод так, чтобы мергель окружал ее, т.е. она проходила по участкам с преимущественным залеганием мергеля, с целенаправленным образованием специальных ловушек (фиг. 3).
Подготовку трассы миграции жидких стоков осуществляют методом наклонного бурения. По кернам определяют вещественный состав и минералогию горных пород трассы миграции захораниваемых стоков, а также их физико-механические свойства. Выявляют, при наличии, на этой трассе природные ловушки (по числу выделяемых из стоков вредных веществ, их фазам и свойствам) или формируют их специально.
Ловушку для газов формируют в начале трассы в виде газового колокола таким образом и с такими параметрами, что бы в нее успевал переходить практически весь газ из сточных вод (фиг. 4). Параметры (объем, протяженность и площадь основания) такой газовой ловушки определяется несколькими факторами.
Во-первых, необходимо учитывать значение концентрации растворенного в воде газа, которая определяется уравнением:
г
где: С - концентрация растворенного в воде газа;
г
К - коэффициент абсорбции газа водой;
общ
р - общее давление;
H2O
Р - парциальное давление водяного пара;
г
р - парциальное давление газа.
Во-вторых, необходимо учитывать соотношение скорости всплытия газовых пузырьков (фиг. 5) со скоростью миграции стоков через ловушку так, что бы большая их часть успевала выделиться в атмосферу ловушки.
Следующей на трассе, в виде колокола (фиг. 6) заполняемого жидкими флюидами, формируют ловушку для нефти и жидких углеводородных продуктов (масел, бензинов и т.д.). В ее строении также имеются некоторые особенности: она должна быть заполнена жидкостью так, что бы стоки могли мигрировать дальше, а нефть и другие нефтепродукты - задерживаться в ней, т.е. входящий канал должен быть расположен выше отводного, в виде гидрозатвора.
Первые две ловушки формируют либо растворением (с использованием реагентов) некоторого необходимого объема легкорастворимых пород, расположенных над трассой миграции сточных вод, либо пескоструйным разрушением такого же объема труднорастворимых пород (по известным технологиям).
После чего на трассе формируют гидродинамическую и геохимическую ловушку (фиг. 7) по методу фильтрации, для осаждения выпадающих в осадок твердых веществ, которая представляет собой необходимый объем мелкодробленных (по существующим взрывным технологиям) горных пород, являющихся гидродинамическими и геохимическими барьерами для растворенных в стоках цветных и других металлов.
После чего через нагнетательные скважины в карстовый массив закачивают захораниваемые стоки. Обеспечивают возможность их нисходящей миграции, а также протекание химических реакций или физического взаимодействия (процессов сорбции и т.д.) находящихся в захораниваемых стоках загрязняющих веществ с горными породами трассы миграции. Что в свою очередь ведет к накоплению в сформированных ловушках загрязняющих веществ, содержащихся в захораниваемых стоках (в газообразной, жидкой или твердой фазах).
Очищенные таким образом городские стоки мигрируют дальше в подсолевой горизонт, снижая в его растворах первоначальную соленость, а осажденные в ловушках вещества (газ, нефтепродукты и металлы) либо подлежат накоплению объемов и хранению, либо извлекают известными технологиями на дневную поверхность и используют.
Применение перечисленных операций обуславливает появление целого ряда новых положительных достоинств у заявленного изобретения.
1. Согласно вышеизложенной сущности изобретения к первому и главному его отличию относится использование для захоронения жидких отходов специально подготовленного высокопроницаемого карстового массива.
В практике подземного захоронения отходов целенаправленного использования подготовленной карстовой среды (карстового массива) для размещения в нем отходов не известно.
В случае использования заявляемой технологии захоронения жидких стоков следует отметить появление таких весьма значимых эффектов, как повышение эффективности размещения и утилизации (очистки) жидких стоков, которое обеспечивается оптимальной длиной их нисходящей миграции, физико-механическим и химическим взаимодействием с породами трассы миграции и улавливанием литосферными ловушками вредных веществ.
В результате происходит очистка жидких стоков от загрязняющих веществ в количествах, многократно превышающих их исходное содержание.
2. Кроме этого, эффективность такого решения технологической задачи выражается дополнительным рядом получаемых положительных эффектов, к которым относится раздельное улавливание ловушками газообразной, жидкой и твердой фазы загрязняющих веществ.