СМЕСЬ ПОЧВЕННАЯ ШЛАМОВО-ГРУНТОВАЯ (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ И СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ КАРЬЕРОВ И НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
SOIL SLURRY-GROUND MIXTURE (VERSIONS) FOR REMEDIATION OF DISTURBED LANDS AND METHOD OF REMEDIATION OF BORROW PITS AND DISTURBED LANDS

Изобретение относится к области строительства, рекультивации и мелиорации земель в нефтедобывающих районах путем восстановления рельефа и плодородия почвы с одновременной утилизацией промышленного отхода - бурового шлама. Заявка описывает способ рекультивации нарушенных земель и состав используемых для этих целей композиций - смесей почвенных шламово-грунтовых (СПШГ).
Технология приготовления и применения СПШГ для рекультивации нарушенных земель предусматривает переработку (использование) бурового шлама (состоящего из выбуренной горной породы и отработанного бурового раствора) в искусственный почвоподобный плодородный грунт с последующим применением получаемого материала при рекультивации нарушенных земель различного происхождения: техногенных с нарушенным почвенно-растительным покровом, нефтезагрязненных, занятых кустовыми площадками, амбарами, шламонакопителями, разведочными скважинами, коридорами коммуникаций, сухоройными карьерами и пр.
За прототип для объекта обоих заявленных объектов (смесь почвенная (варианты) и способ рекультивации) принята известная (RU, патент №2293103 С2, МПК C09K 17/00, A01B 79/02, опубликовано 10.04.2006 г.) композиция для рекультивации карьеров и нарушенных земель, включающая торфопесчаную смесь, буровой шлам (БШ), а также активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки, и способ рекультивации карьеров и нарушенных земель, включающий приготовление двух смесей, их выдержку для прохождения физико-химических реакций сорбции и обезвреживания токсикантов, транспортировку к месту укладки и послойную их укладку.
Недостатками известной композиции являются:
- безструктурность вводимого в композицию глинистого БШ, глинисто-коллоидная фаза которого при переувлажнении значительно набухает, теряет прочность, может переходить в текучее состояние и вымываться из композиции, вызывая миграцию токсичных компонентов отходов, загрязнение окружающей среды, приводящая к резкому снижению фильтрации влаги, аэрации, плодородию смеси, приживаемости и произрастанию растений на биологическом этапе рекультивации;
- использование значительных количеств торфа, являющего ценным и ограниченным природным ресурсом, а также качественного строительного песка, предполагающее разработку дополнительных карьеров торфа и песка, что требует отвода и изъятия земель, приводящих к дополнительному негативному воздействию на природу;
- отсутствие связи между степенью засоления или загрязнения бурового шлама и количеством вносимых мелиорантов;
- увеличение стоимости композиции вследствие применения дефицитных добавок (Сойлекс, Деградойлас, УНИ-РЕМ и др.), часть из которых уже не выпускаются или запрещены (прототипом предусмотрено применение сорбента «Униполимер» - карбамидоформальдегидного поропласта - токсичного, выделяющего фенол).
К недостаткам известного способа рекультивации относятся:
1) неудовлетворительные показатели с точки зрения стойкости к эрозии, удержания влаги и произрастания растений в засушливый период при использовании в качестве верхнего рекультивационного слоя 100% торфо-песчаной смеси;
2) использование в качестве нижнего рекультивационного слоя композиции с излишним содержанием (49-69%) торфопесчаной смеси; при этом на глубине, в анаэробных условиях не эффективно проходит процесс деструкции и обезвреживания нефтепродуктов и др. экотоксикантов;
3) существенное изменение рН грунта по мере изменения глубины: от слабокислой среды (4-5 ед. рН) в верхнем слое до слабощелочной в нижнем слое (за счет применения негашеной извести), что часто препятствует восстановлению на рекультивированных территориях местных видов растений.
Задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, состоит в повышении эффективности рекультивации нарушенных земель с попутной утилизацией отходов бурения.
Единый технический результат, получаемый при осуществлении заявленной группы изобретений, состоит в повышении плодородия и экологической безопасности смеси почвенной шламо-грунтовой (СПШГ); более эффективном использовании местных, характерных для нефтедобывающих районов Западной Сибири, природных ресурсов - грунтов (торф, природный песок); нейтрализации воздействия солей и иных возможных токсикантов на растительный биоценоз.
Указанный технический результат для объекта СПШГ по первому ее варианту достигается за счет того, что содержание компонентов в объеме смеси составляет: буровой шлам - 50-65%, песок или супесчаный грунт - 16-25%, торф - 15-23%, остальное - активные обезвреживающие и мелиорирующие, при этом в качестве основной мелиорирующей добавки используется гипс или фосфогипс в количестве 2-3% от объема смеси.
Данная смесь почвенная шламо-грунтовая (СПШГ I) применяется в качестве нижнего, наиболее объемного рекультивационного слоя при ликвидации и рекультивации шламовых амбаров и карьеров.
Указанный технический результат для объекта СПШГ по второму варианту достигается за счет того, что содержание компонентов в объеме смеси составляет: буровой шлам - 35-50%, песок или супесчаный грунт - 20-30%, торф - 27-32,5%, остальное - активные обезвреживающие и мелиорирующие, при этом в качестве основной мелиорирующей добавки используется гипс или фосфогипс в количестве 1,5-2% от объема смеси. Данная смесь почвенная шламо-грунтовая (СПШГ II) применяется, как правило, в качестве верхнего, плодородного слоя для биологического этапа рекультивации карьеров и нарушенных земель.
Повышение плодородия и экологической безопасности за счет нейтрализации действия возможных токсикантов в смеси почвенной шламо-грунтовой достигается при использовании гипса или фосфогипса в качестве основного структурирующего мелиоранта, что обеспечивает необратимую коагуляцию глинисто-коллоидной фазы шлама, улучшение фильтрации и воздухопроницаемости смеси, а также за счет:
а) использования волокнистого (верхового) торфа, а также супесчаного грунта, обладающих повышенной сорбционной способностью для нейтрализации воздействия солей, углеводородов;
б) использования дозы активных обезвреживающих и мелиорирующих добавок в зависимости от наличия и уровня загрязнения бурового шлама солями и углеводородами.
в) получения близкой к нейтральной реакции СПШГ за счет взаимной нейтрализации ее компонентов: исходная щелочная среда шлама нейтрализуется при введении кислого торфа или фосфогипса до значений рН 6,0-7,5, при необходимости производится корректировка реакции почвенной среды путем дополнительного введения гипса или фосфогипса (для снижения рН) для обеспечения рН 7,0-7,5 в нижних слоях (тип смеси I) и 6,0-7,0 в верхнем слое (тип смеси II).
Одно из важнейших отличий плодородной почвы от безжизненной глинистой или др. коллоидной среды - наличие структуры, т.е. агрегатов грунта и пор между ними, что обеспечивает движение влаги и воздуха. Буровой шлам содержит значительное количество глинисто-коллоидной фазы (порядка 50%) и не имеют структуры. При высыхании шлам превращается в крупные каменистые комки, а при увлажнении переходит в пластичное состояние. Безструктурность бурового шлама месторождений Западной Сибири усиливается при насыщении обменного комплекса глинистых частиц (монтмориллонита и др.) ионами калия и натрия, что происходит в случае введения солей - KCl, NaCl и/или при прохождении засоленных геологических пластов.
4
В указанном прототипе не применяются добавки, вызывающие резкую коагуляцию, т.е. агрегирование глинисто-коллоидных частиц в более крупные образования. Введение в состав СПШГ гипса (СаSO) в качестве основной мелиорирующей добавки, обеспечивает насыщение ионообменного комплекса глинисто-коллоидных частиц кальцием, высвобождение и вымывание избыточных солей калия и натрия в нижележащие слои грунта, необратимое коагулирование глинистой фазы бурового шлама, структурирование и улучшение почвенных плодородных свойств СПШГ.
3
3
Количество добавляемого гипса или фосфогипса рассчитывается, исходя из фактического засоления бурового шлама, и составляет от 1,5 до 3%. Максимальная дозировка фосфогипса - 45-50 кг на 1 м шлама, причем чистого гипса требуется на 30% меньше. С учетом насыпной плотности гипса (фосфогипса) - 1300-1500 кг/ м, верхняя граница его дозировок составляет 3,8% от объема бурового шлама. С учетом доли шлама в объеме конечной смеси рекомендуются следующие дозы гипса (фосфогипса): 2-3% от объема смеси для СПШГ I и 1,5-2% для СПШГ II. При таких дозировках основой мелиорирующей добавки гарантировано происходят процессы коагуляции и улучшения свойств СПШГ. Для более детальных расчетов требуется учитывать плотность и влажность шлама, степень его насыщения солями натрия.
В качестве улучшающих и обезвреживающих добавок в смесь для рекультивации могут вводиться следующие типы веществ в малых дозировках:
- сорбенты (например, ОДМ-2Ф на основе алюмосиликата опал-кристобалита, алюмосиликатный на основе зол уноса, угольный МИУ-С), связывающие загрязняющие вещества, нефтепродукты и устраняющие миграцию экотоксикантов;
- препараты, ускоряющие деструкцию (разрушение структуры) нефтепродуктов и других вредных для окружающей природы веществ: для обработки СПШГ, применяемых для рекультивации нарушенных и нефтезагрязненных земель, например действующие в аэробных условиях штаммы микроорганизмов (биопрепараты «Нефтедеструктор», «Центрин»);
- удобрения (минеральные, органические, гуминовые), нейтрализующие рН, улучшающие плодородие материала при биологической рекультивации: комплексные препараты - гумино-минеральный концентрат (ГМК), торфо-гуминовое удобрение «Флора-С»; органические добавки-удобрения - поверхностный слой органогенных почв, опил, сапропель, мохорастительный слой, и т.п.; местный органический грунт, который вносит активную аборигенную микрофлору и является катализатором биологических процессов в искусственной почве.
При проведении опытных работ установлена эффективность применения активных обезвреживающих добавок/микродобавок. За исключением сорбентов и гипса, все добавки вводятся в смесь только второго типа (СПШГ II), т.е. в верхний рекультивационный слой.
Дозировки активных микродобавок предварительно назначаются, а потом экспериментально уточняются в следующих пределах:
3
- расход основных типов сорбентов, в том числе алюмосиликатного сорбента, производится из расчета 0,2-0,5 кг на 1 кг содержащихся (остаточных) нефтепродуктов в буровом шламе; с учетом фактического состава шлама и содержания нефтепродуктов порядка 0,01-1%, максимальная потребность сорбентов составляет примерно 7-8 кг на 1 м бурового шлама;
- расход удобрений, инициирующих процесс мелиорации торфа и его гумусирование, обеспечивающих питание растений и микроорганизмов, назначается в количестве, обеспечивающем содержание азота не менее 6 мг/100 г почвенной смеси, фосфора не менее 12 мг/100 г, калия - 8 мг/100 г;
- рекомендуемое количество гумусовых препаратов или природных гумусосодержащих органических удобрений составляет до 1% от объема смеси.
Следует заметить, что при применении фосфогипса дополнительного введения фосфорных удобрений в СПШГ не требуется, а если буровой шлам содержит KCl или иные калийные соли, не требуется вводить калийные удобрения.
Рекомендуемое соотношение низинного и верхового торфа в СПШГ (вариант 1) составляет 1:2. Увеличение доли волокнистого (верхового) торфа в составе нижнего слоя СПШГ обеспечивает сорбцию подвижных компонентов бурового шлама и снижение их воздействия на растительный биоценоз.
Рекомендуемое соотношение низинного и верхового торфа в верхнем слое СПШГ (вариант 2) составляет от 1:1 до 2:1. Применение мелкозернистого разложившегося и гумусированного (низового) торфа в большем количестве обеспечивает повышение плодородных свойств, наряду с сорбцией компонентов бурового шлама. Таким образом, решается основная задача более тонкого верхнего слоя СПШГ - обеспечение условий для произрастания растений и жизнедеятельности аэробной микрофлоры, способствующей деструкции и обезвреживанию нефтепродуктов и др. токсикантов, доступность питательных веществ.
Более эффективное использование материалов и природных ресурсов при рекультивации достигается за счет:
а) снижения дозировки дефицитных песка и торфа;
б) использования супесчаного грунта вместо строительного песка, а также (при использовании снятого при строительстве почвенного горизонта) в качестве источника гумуса и органических веществ в СПШГ.
В ходе подбора оптимального состава смесей использовался шлам салымской группы месторождений, обладающий указанными ниже свойствами.
БШ представляет собой текучепластичную (от полужидкой до вязкой консистенции) пастообразную массу, согласно паспорту БШ содержит:
- выбуренную породу - 60-70%;
- отработанный буровой раствор - 40-30%.
В состав твердой фазы БШ входят частицы выбуренной породы разной степени дисперсности (от коллоидных до 5-10 мм) и вводимые в промывочную жидкость глинопорошки (бентонит, монтмориллонит), а также нерастворимые и малорастворимые добавки (карбонат кальция, барит и другие).
Литологические характеристики геологического разреза скважин указывают на наличие в шламе частиц песков, глин, алевролитов, песчаников, аргиллитов, известняков, мергелей, глауконитов и других горных пород.
3
Плотность частиц пород в пределах 2,40-2,90 г/см, пористость 20-30%.
Жидкая фаза БШ образуется за счет сорбции определенного количества бурового раствора, а также сточных вод при промывке оборудования.
Основные свойства БШ салымских месторождений приведены в таблице.
Наименование показателей
Среднее значение по интегральной пробе
Размах значений по частным пробам, min-max
Плотность, г/см<sup>3</sup>
1,70
1,60-1,80
Плотность сухого остатка, г/см<sup>3</sup>
1,132
1,11-1,40
Влажность, %
50,28
40 60
Плотность частиц грунта, г/см<sup>3</sup>
2,75
2,40-2,90
Водородный показатель, ед. рН
9,20
7,40-9,95
Прочность на сдвиг по сопротивлению срезу, кг/см<sup>2</sup>
0,03
0-0,05
Гранулометрический состав твердой фазы БШ:
- содержание частиц диаметром менее 0,071 мм
60-65%
- содержание песка
35-40%
- содержание глинистой фазы
20-50%
Среднее содержание нефти и нефтепродуктов
0,01-0,60%
Средний уровень засоления
1,0-2,4%
- плотность должна иметь значения в пределах
1,30-1,80 г/см<sup>3</sup>
- влажность должна быть в пределах
30-70%
При меньшем влагосодержании БШ переходит в «пластилинообразное» состояние и плохо перемешивается, при большем содержании воды готовая СПШГ имеет текучую консистенцию и непригодна для уплотнения.
В качестве доказательства возможности осуществления заявленной группы изобретений с получением вышеуказанного единого технического результата приводятся примеры конкретных композиций СПШГ и описание осуществления заявленного способа.
Пример 1
Состав СПШГ I для нижнего рекультивационного слоя, об.%:
- буровой шлам - 65
- песок - 16
- торф - 15,5
- фосфогипс - 3
- сорбент (на основе зол уноса) алюмосиликатный по ТУ 2164-001-47666880 - 0,5.
Пример 2
Состав СПШГ II для верхнего рекультивационного слоя, об.%:
- буровой шлам - 40
- песок - 27
- торф - 30
- активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки, в т.ч:
- гипс - 2
- сорбент (на основе зол уноса) алюмосиликатный по ТУ 2164-001-47666880 - 0,3
- диаммонийфосфат (минеральное удобрение) - 0,05
- гумус - 0,65.
Переработка бурового шлама в СПШГ включает следующие технологические операции:
- после предварительной подготовки ОБ и доведения их до требуемых параметров, БШ перемешивается для усреднения состава по всему объему хранилища либо по отдельным секциям;
- разработка шлама и погрузка;
- транспортировка к месту переработки;
- разработка, погрузка и транспортировка подготовленного торфа и песка или готовой торфопесчаной смеси;
- выгрузка компонентов смеси на рабочую площадку с формированием 1). валов или 2). слоев (при перемешивании фрезами).
Возможна предварительная обработка БШ для его обезвреживания (при необходимости) с введением химреагентов и активных добавок. При этом производят дозирование и распределение препаратов, перемешивание и выдержка в амбаре или штабеле в течение 1-2 мес. Обработку основным мелиорантом (гипсом, фосфогипсом) целесообразно производить после введения в шлам песка до окончательно перемешивания смеси с торфом.
В первом случае разгрузка производится в «прижим» с формированием трех сомкнутых рядов (штабелей) компонентов.
Во втором случае производится предварительный завоз грунтов, приготовление и «расстилание» торфопесчаной смеси слоем 15-20 см бульдозером на захватке длиной 100 м при ширине полосы 2,0-2,5 м. БШ разравнивается бульдозером и совместно с торфопесчаной смесью прикатывается с частичным перемешиванием.
Затем производится окончательное перемешивание смеси, после чего производится отбор проб для испытания и подтверждения пригодности материала для использования.
При необходимости производится внесение мелиорантов и микродобавок для доведения класса опасности до требуемого (не выше IV), с приданием необходимых свойств (для смеси II типа). После чего производится сбор подготовленной смеси с захваток в штабели-бурты, выдержка и хранение.
СПШГ представляет собой однородную грунтоподобную смесь рыхлой консистенции. Влажность свежеприготовленного материала находится в пределах 40-70%. СПШГ является взрыво- и пожаробезопасным материалом, не выделяет летучих токсических веществ, не пылит.
Вышеуказанный единый технический результат для объекта «способ» достигается за счет того, что способ рекультивации карьеров и нарушенных земель включает приготовление двух почвенных шламогрунтовых смесей (СПШГ), их выдержку для прохождения физико-химических реакций коагуляции и сорбции и обезвреживания токсикантов, и послойную укладку таким образом, что поверх нижнего рекультивационного слоя СПШГ I (с содержанием компонентов, об.%: буровой шлам - 50-65, песок или супесчаный грунт - 16-25, торф - 15-23, остальное - активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки, в том числе гипс или фосфогипс в количестве 2-3% от объема смеси) укладывают верхний рекультивационный слой СПШГ II (с содержанием компонентов, об.%: буровой шлам - 35-50, песок или супесчаный грунт - 20-30, торф - 27-32,5, остальное - активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки, в том числе гипс или фосфогипс в количестве 1,5-2% от объема смеси).
В заявленном способе буровой шлам содержится не только в нижнем, но и в верхнем рекультивационном слое.
Для нижнего рекультивационного слоя любой толщины и для засыпки карьеров и других выработок применяется СПШГ I типа - слабозаторфованная с содержанием торфа 15-23% от объема. При этом нижние слои с максимальным содержанием (50-65% от объема) глинистого БШ выполняют роль материнской породы и содержат сорбенты для связывания неблагоприятных компонентов шлама и аборигенную микрофлору для деструкции углеводородов.
В качестве верхнего почвенного рекультивационного слоя применяется среднезаторфованная СПШГ II типа с содержанием торфа 27-32,5% от объема.
Добавление БШ в верхний рекультивационный слой обеспечивает деструкцию и обезвреживание нефтепродуктов в аэробных условиях, под воздействием микроорганизмов (на биологическом этапе в верхнем слое применяются посадки бобовых культур, в корневой системе которых активизируются клубеньковые азотфиксирующие бактерии, усиливающие рост растений и разложение углеводородов). Кроме того, добавление БШ в верхний рекультивационный слой дает преимущество перед «чистой» торфопесчаной смесью (верхний слой в прототипе), т.к. способствует сохранению влаги, препятствует ветровой эрозии, что создает лучшие условия для прорастания семян и приживаемости травянистых растений на биологическом этапе рекультивации. Также введение БШ, имеющего рН 7,5-9 ед. (слабощелочная среда) в верхний слой нейтрализует торф, имеющий в Западной Сибири рН 4-5 ед., что способствует повышению плодородия смеси.
В заявленном способе предусмотрено применение СПШГ с повышенным структурированием и улучшенными плодородными свойствами за счет использования в их составе в качестве основной мелиорирующей добавки гипса или фосфогипса.
СПШГ I используется для ликвидации (засыпки) выработанных карьеров, шламовых амбаров, уложения откосов насыпей автодорог и земляных сооружений, при укладке слоем 0,5-1,0 м. Данный тип смеси готовится перемешиванием компонентов (БШ, песок, торф, основой мелиорант, сорбент (микродобавка)) в один прием.
СПШГ II используется при поверхностной рекультивации нарушенных и загрязненных земель, при укладке в верхний слой толщиной 0,2-0,5 м. На первом этапе производится смешение с песком и перемешивание БШ с целью усреднения состава. Обработку основным мелиорантом целесообразно проводить после введения в шлам песка, до перемешивания с торфом. На следующем этапе, после укладки промежуточной смеси, производится введение удобрений, сорбентов, биопрепаратов и других минидобавок по площади обрабатываемого участка.
В процессе наработки и хранения смеси, при перемешивании и выдержке на воздухе в течение 1-30 дней происходит выравнивание влажности в штабеле смеси, материал приобретает рыхлую или вязкопластичную консистенцию. Непосредственно перед укладкой влажность смеси доводится до значений, близких к оптимальной при уплотнении (от 20+/-5% до 40+/-10%).
Доставленный к месту использования материал укладывается в конструктивные слои толщиной 0,3-0,5 м с послойным уплотнением при рекультивации карьеров или слоем 0,2-0,3 м при рекультивации нарушенных земель. После укладки и распределения в конструктивный слой материал уплотняется до достижения значения коэффициента уплотнения не менее 0,9 при глубине расположения до 1,0 м от поверхности земли и не менее 0,8 при глубине укладки более 1,0 м от поверхности земли.
В результате осуществления заявленного способа образуется новая миниэкосистема, обладающая способностью к самовосстановлению, связыванию, обезвреживанию и разложению токсических соединений БШ в аэробных условиях, а также адаптации к внешней (макро) экосистеме.