СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАКОПИТЕЛЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ НА СИЛЬНО ДЕФОРМИРУЕМОМ ОСНОВАНИИ
METHOD OF CREATION OF HIGHLY TOXIC WASTE STORAGE ON DEFORMABLE SUBSTRATES

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям и может быть использовано при создании накопителей отходов промышленных предприятий.
Известен способ создания противофильтрационного экрана накопителя отходов, включающий укладку полотнищ геомембраны, например, из полимерных материалов, соединение полотнищ сваркой или склеиванием, устройство защитного слоя (Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. ЦИТП Госстроя СССР. 1990, с. 22-24 - аналог).
Недостатком способа является опасность разрыва стыков экрана при заполнении накопителя, так как под действием нагрузки от отходов развивается осадка грунтов основания, в результате чего в пригруженной отходами геомембране развиваются растягивающие напряжения. Проблему представляет и контроль герметичности экрана. Он может осуществляться с помощью электрических датчиков или путем нагнетания под экран сжатого воздуха (Пособие по проектированию полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. ЦИТП Госстроя СССР. 1990, с. 32, 33 - аналог).
В первом случае датчики срабатывают при утечках какой-либо жидкости через экран. Система контроля отличается высокой стоимостью, так как для определения точного местоположения дефектов требуется густая сеть датчиков.
Во втором случае в ходе испытаний экрана на него наливают слой воды и нагнетают воздух в дренажную систему, устраиваемую под экраном. Местоположение дефектов в экране определяют по появлению пузырьков воздуха в слое воды. Способ отличает невысокая точность определения местоположения дефектов. Кроме того, обычная дренажная система не отличается полной герметичностью, поэтому нагнетанием в нее воздуха не удастся обеспечить повышение давления под экраном до значений, достаточных для прорыва воздуха через экран и слой воды.
Весьма распространенным способом предотвращения разрывов геомембраны является устройство компенсаторов.
В частности, известны складчатые компенсаторы, устраиваемые с определенным шагом (Авторское свидетельство СССР №1518439 A1, MПК Е02В 3/16, 1989 - аналог). Применение таких устройств возможно лишь в экранах из тонкой пленки. В геомембране толщиной несколько миллиметров устройство складок весьма затруднительно. Кроме того, под действием нагрузки от складированных отходов в складках на контакте "мембрана - мембрана" возрастают силы трения, препятствующие их раскрытию.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ создания противофильтрационного экрана с геомембраной из полимерного материала и скользящими компенсаторами, в котором полотнища мембраны укладываются встык без крепления друг к другу, а под стыками и над ними укладывают антифрикционные прокладки и защитно-изолирующие накладки (Патент РФ №2374386. МПК Е02В 3/16, 2008 - прототип).
Из-за возможности утечек жидкости через скользящий стык между накладками и полотнищами геомембраны способ не обеспечивает надежную работу экрана в ходе эксплуатации накопителя.
3
4
2
3
2
3
2+
2+
2+
2+
2+
2+
Магнитная жидкость (МЖ) представляет собой устойчивую коллоидно-дисперсную систему стабилизированных частиц магнетита или феррита в дисперсионной среде (Борковский В.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости. М.: Химия, 1985, 240 с.). МЖ одновременно обладает и текучестью, и способностью взаимодействовать с магнитным полем. Дисперсной фазой магнитной жидкости является магнетит (FeO) или частицы другого происхождения - маггемит (γ-FeO), ферриты состава МеFеO), где Me - металлы Ni, Со, Fe, Mn, Ni или Сu.
Дисперсионной средой в магнитных жидкостях выступают различные жидкости, в том числе углеводороды, полимерные фторэфиры, кремнийорганические полимеры, вода. Наноразмерные частицы магнитных жидкостей склонны к нежелательной агрегации. Поэтому еще одним компонентом магнитных жидкостей являются вещества, предотвращающие образование из наночастиц крупных агрегатов. Действие стабилизаторов основано на создании на поверхности наночастиц магнитоактивной дисперсной фазы слоя молекул стабилизатора, препятствующего сближению наночастиц. Кроме того, известны приемы создания заряда на поверхности наночастиц магнитоактивного соединения. В этом случае стабилизация магнитной жидкости достигается за счет сил электростатического отталкивания.
Для стабилизации частиц магнитной жидкости обычно применяют два способа: стерический (Неппер. Д. Стабилизация коллоидных дисперсий полимерами М: Мир. - 1986. - 487 с) и электростатический (Бибик Е.Е., Лавров И.Г. Об устойчивости дисперсии ферромагнетиков // Коллоидный журнал. - 1965. - т. 27, №5. - С. 652-655).
При стерической стабилизации коллоидного раствора магнетита применяют ПАВ. Чаще всего в качестве стабилизатора используют олеиновую кислоту (Такемоти С, Тикадзуми С. Магнитные жидкости / Пер. с японск. М.: Мир. 1993. 272 с.), а также другие жирные кислоты - стеариновую, лауриновую (Розенцвейг Р. Феррогидродинамика / Пер. с англ. - М.: Мир. 1989. - 356 с.), линолевую (Лебедев А.В. Низкотемпературная магнитная жидкость, стабилизированная смесью жирных кислот // Коллоидный журнал. - 2010. - т. 72. №6. с. 807-811). Кроме того, известны способы, в которых в качестве стабилизатора используют полимеры (Неппер. Д. Стабилизация коллоидных дисперсий полимерами М.: Мир. - 1986. - 487 с.), олигомерный стабилизатор, приготовленный на основе янтарной кислоты и полипропиленгликоля (Лысенко СЛ.. Якушев P.M.. Стрельников В.И. и др. Стерическая стабилизация и функционализация наночастиц магнетита и получение коллоидных дисперсий магнетита в олигомерных средах // Журнал прикладной химии. - 2010. - Т. 83, №8. - С. 1294-1297).
При электростатическом методе магнитную жидкость стабилизируют без применения поверхностно-активных веществ (Massart R., Dubois E., Cabuil V. at. al. Preparation and properties of monodisperse magnetic fluids // J. Magn. Magn. M.ater. - 1995. - Vol. 149. N 1-2. - P. 1-5). Стабилизация коллоидной системы достигается за счет сил электростатического взаимодействия между частицами дисперсной системы. Массарт с сотр. получали магнитные коллоиды, в которых в качестве стабилизатора использовали концентрированный раствор гидроксида тетраметил аммония (Jean-Claud Bacri, Rene Massart. Synthese et etude physieoehimique de eolloides nmgnetiques non surfaetes en milieu aqueux // Nouveau journal de ehiraie. - 1983. Vol. 7, N5. - P. 325-331).
В качестве дисперсионной среды применяют: керосин (Пат.1658752 РФ. Способ получения магнитной жидкости / Велеков А.. Джумамуралов Б., Аллакулов Д.Т.. Эрнепесов Х.Н.: заявитель Велсков А., Джумамурадов Б.. Аллакулов Д.Т.. Эрнепесов Х.Н. заявл. 19.04.2000; опубл. 20.06.2004), нефть, гексан, толуол, четыреххлористый углерод, а также смеси, например, растворителя Р-5 и эпоксидно-диановой смолы (А.с. 154169 СССР. Способ получения магнитной жидкости / Радионов В.A., Ряжских В.М.. Любченко Л.М., Вер-бицкая И.А.; заявитель Радионов В.А., Ряжских В.М., Любченко Л.М., Вербицкая П.А. // Бюл. - 1990. - №5), кремнийорганические соединения, а также воду или спирты. Вода - самая безопасная и доступная дисперсионная среда.
Магнитную жидкость обычно синтезируют в несколько стадии:
- получение коллоидного раствора магнетита;
- стабилизация частиц;
- перевод магнитной жидкости в дисперсионную среду.
Коллоидный раствор магнетита можно получить, измельчая крупные частицы или формируя из отдельных молекул раствора. В соответствии с этим различают две основные группы методов: диспергирование и конденсация.
Впервые магнитные жидкости были получены С. Пейпелом путем мокрого измельчения частиц магнетита в присутствии олеиновой кислоты, а в качестве жидкой основы был применен керосин (Pat. 3215572 US. Low viskosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles / Papell S.S.; опубл. 02.1 1.1965).
Несмотря на дальнейшие усовершенствования метод диспергирования не получил широкого распространения из-за существенных недостатков - низкая производительность, загрязнение жидкости частицами истирания шаров мельницы в процессе ее работы, невозможность получения дисперсной фазы с узким разбросом размеров частиц.
В настоящее время широко применяется метод химической конденсации, в котором частицы коллоидных размеров формируются из отдельных молекул в химической реакции, протекающей обычно при подщелачивании раствора водорастворимых солей железа (II) и железа (III) (Lopez J.A., Gonzalez-P., Bonilla F.A. at al. Synthesis and characterization of Fe3O4 magnetic nanolluid // Re vista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. - 2010. - Vol. 30. N 1 - P. 60-66), (Фертман В.Е. Магнитные жидкости. - Ми.: Выш. шк. - 1988. - 184 с.) гидроксидом натрия:
3+
2+
+
3
4
2
2 Fe+Fe+8 NaOH=FeO+8 Na+4 HO.
3+
2+
Для получения продукта с максимально высокой относительной магнитной восприимчивостью синтез проводят при соотношении Fe/Fe 2:1 при повышенной температуре (70…85°С) и постоянном интенсивном перемешивании. Замена гидроксида натрия гидроксидом аммония позволяет снизить температуру синтеза до 25-40°С (А.с. 861321 СССР. Способ получения феррожидкости / Бибик Е.Г., Грибанов Н.М., Бузунов О.В., Гермашен В.Г. // Бюл. 1981. №33). (А.с. 966015 СССР, МКл3 C01G 49/08. Способ получения феррожидкости / Бибик Г.Г., Бузунов О.В., Грибанов Н.М., Гермашев В.Г. // Бюл. - 1982. - №38). Для получения магнитной жидкости на водной основе разработан способ, в котором применены модифицированные лигносульфонаты (Пат. 2489359 РФ. Способ получения магнито-активного соединения. Заявка №2012114043 от 10.04.2012. Опубл. 10.08.2013. / Ю.Г. Хабаров, И.М. Бабкин, Н.Ю. Кузяков).
Радионуклиды - это изотопы, ядра которых самопроизвольно распадаются. Характеристикой радионуклидов является период полураспада - промежуток времени, в течение которого количество исходных атомных ядер уменьшается вдвое. Для использования в индикаторной жидкости могут быть использованы водорастворимые соединения, содержащие радионуклиды 38Сl, 69Zn, 24Na. 32Р. Эти радионуклиды не относятся к высокоопасным или опасным, обладают небольшим периодов полураспада.
Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей (Сулькин А.Г. Гамма-терапевтические аппараты. М.: Энергоатомиздат.- 1986. - 232 с.). Соединения радиоактивного натрия, вводимые в небольших количествах в кровь, используются для исследования кровообращения. Соединения йода интенсивно отлагаются в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни, что позволяет быстро поставить диагноз и проводить лечение.
Радиоактивные изотопы в промышленности (Петросьянц A.M. Атомная энергия в науке и промышленности. - М: Энергоатом из дат, 1984. - 448 с.). Одним из примеров может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т.д. Для обнаружения в металлах дефектов. (Партолин О.Ф., Чистов Е.Д., Быховский А.В., Маргулис У.Я. Радиационная безопасность при промышленной дефектоскопии. М.: Машиностроение. 1977. 134 с.).
Радиоактивные изотопы широко используются в сельском хозяйстве (Изотопы и радиация в сельском хозяйстве: в 2-х т. Т. 2. Животные - растения - питание - окружающая среда / пер. с англ. В.Д. Цыдендамбаева. М.: Агропромиздат.1989. - 365 с.). Облучение семян хлопчатника, капусты, редиса и др. небольшими дозами γ-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению урожайности. Разработаны методы радиоселекции, позволяющие выводить новые сорта растений. Радиоактивные изотопы используются для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.
Радиоактивные изотопы в археологии используются для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т.д.) (Stuiver M., Reimer P.J., Braziunas T.F. High-precision radiocarbon age calibration for terrestrial and marine samples // Radiocarbon. - 1998. Vol.40. - P. 1127-1151).
Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности накопителя за счет обеспечения герметичности экрана и контроля его целостности перед размещением отходов.
Это достигается тем, что в способе создания накопителя токсичных отходов на сильно деформируемом основании, включающем подготовку основания путем отсыпки дренирующего грунта, укладку водонепроницаемой геомембраны, состоящей из герметично соединенных полотнищ, например, полимерного материала, проверку герметичности геомембраны и укладку защитного слоя, отсыпку дренирующего грунта выполняют с уклоном поверхности от центра к периферии накопителя с возвышением в центре на величину, равную половине прогнозируемой разности осадки основания накопителя, после укладки геомембраны накопитель заполняют жидкостью, например водой или глинистым раствором, и выжидают момента достижения заданной степени консолидации основания, затем откачивают из накопителя жидкость, а проверку герметичности геомембраны выполняют путем последовательного выполнения операций: сканирования основания с поверхности геомембраны с помощью физических измерений (используется магнитометрическая съемка либо измерение активности), подачи в накопитель индикаторной жидкости (используется феррожидкость либо раствор соединения короткоживущего радиоактивного элемента), ее выдержки, последующей откачки и повторного сканирования основания с помощью физических измерений.
Последовательность создания накопителя иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан начальный этап, включающий возведение ограждающих дамб, отсыпку слоя дренирующего грунта и укладку геомембраны, на фиг. 2 - заполнение чаши накопителя жидкостью для предварительной загрузки основания, на фиг. 3 - проверка герметичности геомембраны, на фиг. 4 - стадия заполнения накопителя отходами. Схематичное изображение уступов основания приведено на фиг. 5. На фиг. 6, 7, 8 продемонстрированы последовательные перемещения геомембраны, вызванные развитием осадки основания.
Способ осуществляют следующим образом.
После возведения ограждающих дамб 1 по контуру накопителя на грунтовое основание 2 отсыпается дренирующий грунт 3. Его планировку выполняют уступами таким образом, чтобы обеспечить уклон от центра к периферии накопителя. Отметка поверхности дренирующего слоя в центре должна превышать отметку на периферии на величину S/2, где S - прогнозируемая разность осадки основания в центре и на периферии накопителя. После укладки и стыковки полотнищ геомембраны 4, а также фиксации ее пригрузочным слоем грунта 5 по верху ограждающих дамб, чашу накопителя заполняют жидкостью 6, которая служит для создания нагрузки p на основание. Нагрузка на основание от веса жидкости задается из условия p≥σ, где σ - предполагаемая нагрузка на основание от складируемых отходов. В зависимости от необходимого значения p накопитель может заполняться водой или глинистым раствором заданной плотности.
До начала следующей операции делают технологический перерыв, необходимый для завершения первичной, то есть фильтрационной, консолидации грунтов основания. Именно на стадии первичной консолидации деформации протекают наиболее интенсивно, а осадка достигает 85-95% от конечной. В глинистых грунтах для ее достижения требуется обычно несколько месяцев (Lond P.V., Bergado D.T., Nguyen L.V., Balasubramaniam A.S., Design and Performance of Soft Ground Improvement Using PVD with and without Vacuum Consolidation/ Geotechnical Engineering of the SEAGS & AGSSEA Vol.44 No.4 December 2013, c.36-53). Момент завершения первичной консолидации определяют по резкому изменению наклона графика S=f(lnt), где t - время (Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов: Учебник. - М.: Издательство ABC, 2009, с. 155). Замеры осадки выполняют путем периодической нивелировки поверхности геомембраны.
Сокращение продолжительности технологического перерыва может быть обеспечено за счет так называемой вакуумной консолидации (Griffin H., O'Kelly B.C., Ground improvement by vacuum consolidation/ Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Ground Improvement, 167, November 2014. Issue GI4 p. 274-290. Paper 1300012). В этом случае в основание, сложенное слабым грунтом, внедряются вертикальные ленточные дрены, а в дренирующем слое под геомембраной создается вакуум.
Осадка основания носит неравномерный характер - наибольшие ее значения наблюдаются в центре накопителя, наименьшие - по периферии (Мангушев Р.А., Карлов В.Д., Сахаров И.И. Механика грунтов: Учебник. - М.: Издательство ABC, 2009, с. 155). Благодаря тому, что по мере развития осадки основания геомембрана сначала принимает горизонтальное положение, а затем прогибается вниз на величину, не превышающую S/2, в ней не возникают растягивающие напряжения, а значит, не повреждаются стыки полотнищ.
При укладке геомембраны по уступам стыковка полотнищ осуществляется ближе к средине уступов, где геомембрана плотно прижата к подстилающему материалу давлением жидкости и силы трения, которые препятствуют ее сдвигу при перемещении из исходного положения в горизонтальное. Небольшие неровности в геомембране будут возникать лишь на небольших откосах, разделяющих уступы. По мере развития осадки основания эти неровности будут расправляться.
Технологический перерыв завершается откачкой жидкости из чаши накопителя, после чего приступают к проверке герметичности геомембраны. С помощью физических измерений выполняют сканирование основания с поверхности геомембраны. Затем в чашу накопителя подают индикаторную жидкость 7 и после выдержки откачивают ее. Наличие и местоположение дефектов в геомембране определяют при повторном сканировании основания. Утечки 8 индикаторной жидкости 7 приводят к отклонениям показателей сканирующих приборов.
После устранения дефектов геомембраны поверх нее отсыпают защитный слой 9 и начинают эксплуатацию накопителя 10.
Предлагаемый способ создания накопителя токсичных отходов на сильно деформируемом основании позволяет обеспечить герметичность экрана за счет предварительной консолидации основания и контроля его целостности, повышая тем самым эксплуатационную надежность накопителя.