ГРУНТ ТЕХНОГЕННЫЙ ПОЛУЧЕННЫЙ ПУТЕМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ
MAN-MADE SOIL OBTAINED BY THERMAL TREATMENT FOR RECLAMATION OF DISTURBED LANDS

Изобретение относится к охране окружающей природной среды, в частности к грунту техногенному, полученному путем термической обработки для рекультивации нарушенных земель, и предназначено для использования при ликвидации буровых шламовых амбаров, шламонакопителей, нефтешламонакопителей: а) внесение в качестве инертного материала в массив буровых отходов при их обезвреживании, б) внесение в качестве заполнителя инертного материала пустого амбара при полной выемке из него отходов бурения, в) нанесение в качестве составляющего рекультивационного слоя при ликвидации бурового шламового амбара с захоронением массива обезвреженных или переработанных буровых отходов непосредственно в амбаре, г) нанесение в качестве составляющего рекультивационного слоя при ликвидации бурового шламового амбара с захоронением массива буровых отходов после его обезвреживания или переработки на специальной площадке с последующей обратной засыпкой в ликвидируемый амбар; нанесение в качестве материала для формирования рекультивационного слоя при рекультивации нефтезагрязненных земель; нанесение в качестве материала для формирования рекультивационного слоя при рекультивации нарушенных земель в процессе строительства линейных сооружений и площадочных объектов; нанесении в качестве материала для закрепления насыпи и откосов внутрипромысловых дорог, площадочных объектов обустройства на стадии работ по благоустройству, для формирования дернины после посева трав мелиорантов на территории лицензионных участков недропользователей; нанесение на откосы карьеров общераспространенных полезных ископаемых, руд при открытых горных работах, отвалов вскрышных пород для создания плодородного слоя грунта и формирования рекультивационного слоя; укрытие и изоляция отходов при рекультивации полигонов размещения отходов; для сооружения насыпей земляного полотна и укрепления грунтовых оснований строительных и других площадок; при сооружении земляного полотна и устройстве укрепленных дорожных оснований на дорогах I-V категорий и во II-V дорожно-климатических зонах, а также покрытий на дорогах IV-V категорий; применение в качестве компонента для изготовления строительных растворов.
Из уровня техники известен грунт связующий и состав рекультивации, включающий продукты смеси: воду; углевод; белок; соединения железа; прочную базу и волокнистый материал (US 7005005, 28.02.2006).
Известен грунт связующий и состав рекультивации, подходящий для нанесения на оголенную почву, чтобы предотвратить или замедлить эрозию почвы, и включающий продукты смеси: часть грунта связующего, необходимая для связывания частиц почвы и содержащая: воду; углевод; белок; соединения железа; и прочную базу для увеличения растворимости углеводов и белков в воде, делая композицию сильно щелочной pH по крайней мере первоначально; и часть почвы рекультивации нарушенных земель, включающей: волокнистый материал, содержащий по крайней мере два различных типа волокон, один из типов волокон, который способствуют адгезии состава почвы, и другой из типов волокон, который способствуют появлению новых проросших семян или растений через волокнистый материал в почву (US 7021864, 04.04.2006).
Известен состав для рекультивации замазученных грунтов, в котором в качестве нефтеокисляющих компонентов наряду с другими используется мелкодисперсная сера, для интенсификации процесса биоразложения в состав дополнительно вводится активный ил или органика и адсорбент, а в качестве нефтеокисляющего компонента может быть использована недегазированная или недостаточно дегазированная сера (RU 2009101698, 27.07.2010).
Недостатками являются недостаточное обеззараживание нефтяного шлама и других загрязнений.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании грунтошламовой смеси, полученной путем термической обработки для рекультивации нарушенных земель, которая исключала бы указанные выше недостатки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение условий окружающей среды, восстановление продуктивности нефтезагрязненных и нарушенных земель, повышенная плодородность в результате обогащения при очистке загрязненных земель кислородом и минеральными удобрениями и, соответственно, уменьшение нефтезягрязненных участков.
Указанный технический результат достигается в грунтошламовой смеси, полученной путем термической обработки для рекультивации нарушенных земель, содержащей полученную посредством переработки отходов на установке для утилизации замазученных грунтов УЗГ-1МГЖ смесь компонентов в количестве 30-40 мас.%, торф 20-35 мас.% и песок 20-50 мас.%, при этом смесь компонентов содержит, мас.%:
Оксид ванадия - 32,5
Углерод - 31,4
Оксид алюминия - 7,5
Оксид кремния - 7,5
Оксид азота - 6,8
Оксид железа - 5,3
Водород - 4,4
Оксид магния - 1,5
Оксид марганца - 0,8
Оксид свинца - 0,4
Оксид хрома - 0,4
Оксид цинка - 0,4
Азот - 0,4
Сопутствующие примеси - 0,7.
Сопутствующие примеси включают проппант, содержащий керамические шарики, срезку нефтезагрязненного слоя земли, содержащего щебень, и мелкие отходы черных и цветных металлов, а именно: сплавы металлов стали, алюминия, меди, латуни, свинца, цинка, хрома.
Отходы, полученные посредством переработки на установке для утилизации замазученных грунтов УЗГ-1МГЖ, представляют собой отходы бурового шлама и нефтешлама и составляют, мас.%:
Нефтешлам - 20-25%,
Торф - 30-35%,
Песок - 30-35%
Вода - остальное
Грунтошламовая смесь производится из продуктов обезвреживания (обжига) отходов бурения, грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, шламов очистки трубопроводов и емкостей от нефти и нефтепродуктопроводов на установке для утилизации замазученных грунтов УЗГ-1МГЖ.
Утилизация отходов на установке «УЗГ-1МГЖ» обеспечивает снижение концентрации нефтепродуктов в нефтешламе на 99,9%, примененное в установке устройство обработки отходящих газов с блоком орошения позволяет максимально снизить выбросы вредных веществ в атмосферу (коэффициент очистки по взвешенным веществам 97,3%, КПД очистки 88,4%).
Установка работает от сети переменного тока с номинальным напряжением 380 В, частотой 50 ГЦ и может использоваться в полевых условиях с питанием от генератора или на специально оборудованных площадках.
В комплект установки входят:
- загрузочное устройство подачи нефтесодержащих отходов в камеру утилизации;
- высокотемпературная камера утилизации:
- эжекторная жидкотопливная горелка ГЖ-300;
3
- топливный бак V 400 дм;
- разгрузочное устройство;
- устройство обработки отходящих газов;
- блок орошения;
- пульт управления;
- электропривод.
Утилизация отходов происходит в высокотемпературной камере, представляющей собой вращающийся барабан, установленный на опорных катках с приводом от мотор-редуктора.
Необходимая для утилизации нефтесодержащих отходов температура создается за счет сжигания жидкого топлива в эжекторной жидкотопливной горелке, а также за счет сгорания органических соединений, находящихся в обезвреживаемых отходах.
Подача топлива в горелку производится самотеком из топливного бака.
Обезвреживаемые отходы поступают в высокотемпературную камеру из бункера-накопителя с помощью транспортера.
Установка смонтирована на раме, имеющей регулировочное устройство для изменения угла наклона барабана вдоль его оси.
Выгрузка обезвреженного материала производится в сменный бункер.
Обработка отходящих газов производится в установке типа «Циклон» (9) с блоком орошения.
Запуск установки, вывод ее на рабочий режим и остановка производятся с пульта управления.
Грунтошламовую смесь приготавливают на стационарной площадке непосредственно в районе ликвидации бурового шламового амбара, шламонакопителя либо на временной специальной оборудованной площадке.
Обезвреженные и термически переработанные отходы бурового шлама (БШ) и нефтешлама (НШ) после их переработки представляют собой инертный, экологически безопасный техногенный грунт. По классу опасности для окружающей среды получаемый грунт относится к веществам не выше IV класса опасности.
Физико-механические показатели грунтошламовой смеси, полученной путем термической обработки для рекультивации нарушенных земель
Таблица 1
Свойства
Параметры
Методы испытаний
в насыпи
в амбаре
Влажность, %
от 20 до 40
от 30 до 50
ГОСТ 5180
Плотность грунта, кг/м3
от 1600 до 2000
от 1400 до 1600
ГОСТ 5180
Плотность сухого грунта, кг/м3
от 1450 до 1750
от 1250 до 1500
ГОСТ 5180
Прочность по сопротивлению грунта срезу, кгс/мм<sup>2</sup>
>0,005
-
ГОСТ 12248
Коэффициент уплотнения грунта
0,80-0,90
-
ГОСТ 5180
Физико-механические показатели получаемой грунтошламовой смеси определяются для двух состояний:
- в насыпи после выемки из камеры сжигания установки, в разрыхленном состоянии в целях его дальнейшего использования в качестве грунта, используемого как строительный материал;
- на площадке приготовления смеси, получаемой после смешивания термически обезвреженных отходов в виде продуктов отжига с добавлением в разрыхленном состоянии расчетного количества торфа в целях его дальнейшего использования в рекультивационных целях.
Эффект обезвреживания при переработке НШ, БШ и получении грунтошламовой смеси достигается за счет физико-химического метода обезвреживания отходов путем сжигания в камере с горелкой на установке «УЗГ-1МГЖ» при температуре от 800 до 900°C, оптимальный режим от 600 до 700°C.
В камере сжигания термодеструкционной установки под воздействием высокой температуры сгорания сложные соединения распадаются на простейшие составляющие. За счет этого сводится к минимуму содержание вредных веществ в отработанных газах. При этом в установке происходит практически полное сгорание отходов - остаток в виде золы составляет в зависимости от состава отходов 3-5% исходной массы отходов.
Содержание нефтепродуктов в сжигаемых отходах при использовании установки «УЗГ-1МГЖ» составляет около 3%.
Грунтошламовая смесь, полученная путем термической обработки для рекультивации нарушенных земель, содержит полученную посредством переработки отходов на установке для утилизации замазученных грунтов УЗГ-1МГЖ смесь компонентов в количестве 30-40 мас.%, торф 20-35 мас.% и песок 20-50 мас.%, при этом смесь компонентов содержит, мас.%:
Оксид ванадия - 32,5
Углерод - 31,4
Оксид алюминия - 7,5
Оксид кремния - 7,5
Оксид азота - 6,8
Оксид железа - 5,3
Водород - 4,4
Оксид магния - 1,5
Оксид марганца - 0,8
Оксид свинца - 0,4
Оксид хрома - 0,4
Оксид цинка - 0,4
Азот - 0,4
Сопутствующие примеси - 0,7, которые включают проппант, содержащий керамические шарики, срезку нефтезагрязненного слоя земли, содержащего щебень, и мелкие отходы черных и цветных металлов, а именно: сплавы металлов стали, алюминия, меди, латуни, свинца, цинка, хрома.
Отходы, полученные посредством переработки на установке для утилизации замазученных грунтов УЗГ-1МГЖ, представляют собой отходы бурового шлама и нефтешлама и составляют, мас.%:
Нефтешлам - 20-25%
Торф - 30-35%
Песок - 30-35%
Вода - остальное
Эксплуатация установки за счет использования второй ступени очистки отходящих газов позволяет существенно снизить выбросы вредных веществ по сравнению с обычным открытым сжиганием. Назначение второй ступени - снижение содержания оксидов и диоксидов серы и азота в отходящих газах установки при переработке грунтов с повышенным содержанием сернистых соединений в остатках нефти и нефтепродуктов.
В установке могут быть утилизированы следующие виды отходов:
- буровой шлам;
- отработанный буровой раствор;
- нефтешлам;
- замазученные грунт и трава;
- отработанные масляные и воздушные фильтры;
- промасленная ветошь и опилки;
- древесина подходящих размеров;
- отработанные нефтесодержащие сорбенты;
- песок нефтезагрязненный (с разливов);
- нефтесодержащие отходы;
- другие горючие материалы.
Согласно ГОСТ 25100 Грунты. Классификация обезвреженные и переработанные данным способом отходы можно отнести к классу техногенных грунтов (дисперсные или мерзлые в зависимости от температуры согласно таблице 2) с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека (производственной деятельности).
Таблица 2
Подразделение техногенных грунтов по температуре
Разновидность грунтов
Температура грунта t, °C
Дисперсный
>0
Мерзлый
<0
По завершении работ по обезвреживанию отходов на установке производится наработка грунта для рекультивационного направления использования путем механического перемешивания с инертным материалом (торф, песок).
Таблица 3
Диапазон содержания основных компонентов грунта
Наименование основных компонентов
Содержание в техногенном грунте, % объема (соотношение)
Грунт
70-100 (0,70-1,00)
Воздушно-сухой торф
20-30 (0,20-0,30)
Грунтошламовая смесь представляет собой однородную грунтоподобную смесь рыхлой консистенции в зависимости от влагосодержания дополнительно вносимого исходного сырья - торфа, песка.
Влажность свежеприготовленной техногенной грунтошламовой смеси для рекультивационного направления должна находиться в пределах 20-50%. В процессе наработки и хранения смеси при перемешивании и выдержке на воздухе в течение от 1 до 30 суток происходит выравнивание влажности в насыпи смеси, техногенный грунт приобретает рыхлую или вязко-пластичную консистенцию. Непосредственно перед укладкой влажность техногенного грунта должна быть доведена до значений, близких к оптимальным, в зависимости от направления использования техногенного грунта при уплотнении, т.е. от 25 до 30% при проведении рекультивационных работ и от 13 до 20% при использовании ее в строительстве.
Состав БШ. В процессе бурения скважин в буровом шламовом амбаре может накапливаться до 60-70% воды, 25-35% шлама (выбуренной породы), 5-6% нефти, 0,5% бентонита и 0,5% различных присадок, обеспечивающих оптимальную работу буровой установки. После осветления и откачки жидкой фазы, остающаяся в амбаре твердая фаза - БШ является сырьем для термического обезвреживания.
При подготовке БШ к обезвреживанию должны определяться (в т.ч. в полевых условиях) следующие его физические характеристики:
3
3
- плотность - в пределах 1,5-1,85 кг/м (по типовому проекту для расчетов принято 1,5 кг/м);
- влажность - в диапазоне 30-60%;
- содержание нефтепродуктов до 15% (без дополнительного внесения инертного материала), более 15% (требуется расчетное внесение инертного материала).
Загрязняющие свойства и загрязняющий потенциал отходов бурения (в широком понятии - БШ, буровые сточные воды, отходы бурового раствора) для компонентов окружающей среды обусловлены находящимися в их составе химическими веществами и материалами.
Среди химических элементов, присутствующих в составе БШ, преобладают: кислород, водород, алюминий, кремний, углерод, железо, кальций, магний, марганец, натрий, калий, хлор, бром, йод.
Исходный БШ должен представлять собой текучепластичную пастообразную массу, имеющую темно-серый цвет с металлическим оттенком, маслянистый на ощупь и слабовыраженный, но характерный специфический запах нефти.
Гранулометрический состав частиц БШ в пределах 200-300 мкм. Этим объясняется низкое гидроизолирующее свойство БШ, что объясняется прохождением мелких частиц бентонита под действием гидравлического напора между крупными частицами породы.
По химическим показателям БШ представляет собой коллоидный раствор частиц глины, песка, химических реагентов и нефти в воде. Показатель pH обычно соответствует щелочной среде и составляет от 8,5 до 10,5.
3
Нефтешламы - отходы нефтедобычи, процессов подготовки и транспорта нефти, полученных при зачистке резервуарных парков нефтеперекачивающих станций, которые представляют собой трудноразделимую смесь нефтепродуктов, вскипающих в широком интервале температур, включают воду, мех. примеси - глину, песок, сульфиды железа и другое. Интервалы кипения 80% массы от 216 до 350°C. Содержание воды - 18% массы, содержание песка, глины и сульфида железа - 10% массы. Отобранный из резервуара нефтешлам представляет собой черную студенистую пасту, переходящую при нагревании до 57°C в легко текучую жидкость при плотности 0,854 г/см.
НШ в нефтешламонакопителях и ловушечные нефти в резервуарах независимо от источников формирования с течением времени отстаиваются и разделяются на три слоя:
- верхний слой - малообводненная нефть с относительно невысоким массовым содержанием механических примесей от 0,5% (для ловушечных нефтей), до 1,5% (для амбарных нефтей);
- средний слой - мелкодисперсная эмульсия сложного типа («прямая» и «обратная») с массовым содержанием воды до 70-80% и механических примесей от 1,5 до 15,0%. Средний слой обычно бывает небольшим по объему. Вода и механические примеси в нем могут возрастать монотонно сверху вниз, могут размещаться хаотически по объему, а могут распределяться практически однородно;
- нижний, придонный слой - состоит на 70% из твердой фазы, пропитанной нефтепродуктами до (5-10%) и водой до 25%; содержание нефтепродуктов относительно постоянно, количество механических примесей растет с глубиной. При этом жидкая фаза представляет собой стойкую водонефтяную эмульсию.
Торф для приготовления грунтошламовой смеси должен использоваться предпочтительно воздушно-сухой, высушенный в естественных условиях до равновесной влаги на площадке приготовления и соответствующий техническим параметрам по ГОСТ Р 51661.3 Торф для улучшения почвы. ГОСТ Р 51661.4 Торф нейтрализованный. Технические условия или ГОСТ Р 52067. Торф для производства питательных грунтов. Технические условия.
Влажность воздушно-сухого торфа (массовая доля влаги) перед его использованием в смеси не должна превышать 65%.
p
as
Согласно ГОСТ 25100 Грунты. Классификация для приготовления грунтошламовой смеси должен использоваться преимущественно воздушно-сухой торф со степенью разложения торфа Da - от 20 до 35% (слаборазложившейся и среднеразложившейся разновидности соответственно). По степени зольности при выборе сырья предпочтение отдается высокозольным торфам с показателем D - от 25 до 30 д.е.
Использование торфа в составе грунтошламовой смеси приводит к сорбированию, связыванию токсических веществ, содержащихся в буровом шламе, и препятствует тем самым миграции их в окружающую среду. Присутствие торфа в приготовленном грунте выполняет роль органогенного субстрата, обеспечивающего оптимальные условия для всходов растений мелиорантов, используемых на биологическом этапе рекультивации при посеве, посадке их непосредственно в техногенный грунт.
Песок для разбавления нефтенасыщенного БШ или НШ должен соответствовать ГОСТ 25100 Грунты. Классификация. Песок для разбавления нефтенасыщенного БШ или НШ вносится в сырье перед обезвреживанием при количестве нефтепродуктов в нем более 15% в расчетном количестве согласно ППР.
При выборе источника песка предпочтение отдается крупнозернистым фракциям речных песков. Возможно использование и однородных песков.
p
L
p
Песок - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50% (коэффициент пластичности 1=0). Число пластичности I - разность влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести w и на границе раскатывания w. Значения w и w по ГОСТ 5180. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. Показатель текучести I - отношение разности влажностей, соответствующих двум состояниям грунта: естественному w и на границе раскатывания w, к числу пластичности.
Грунтошламовую смесь в зависимости от направления использования подразделяют на 2 вида:
I - для рекультивационных целей;
II - для сооружения насыпей земляного полотна и укрепления грунтовых оснований строительных площадок и для строительных растворов.
III - Исходным сырьем для получения грунта является:
- БШ не выше III класса опасности;
- НШ не выше III класса опасности.
При содержании в исходном сырье для термического обезвреживания нефтепродуктов от 16% до 25% для их снижения может применяться песок по ГОСТ 25100 Грунты. Классификация, добавляемый путем перемешивания в загрузочную камеру. В случаях когда загрязнение сырья превышает 25%, рекомендуется применение опилок или сорбента с высокой степенью сорбции по нефтепродуктам для доведения загрязненности грунта до соответствующей пропорции перед его загрузкой в камеру сгорания установки.
Пример 1.
Для обезвреживания загружается в накопитель на установке «УЗГ-1МГЖ» нефтешлам 20 мас.%, песок 30 мас.%, торф 30 мас.% и добавляют воду 20 мас.%, при этом полная загрузка бункера накопителя составляет 6 куб. м. Термический обжиг загруженной смеси происходит в течение 1 часа при температуре 800 градусов. На выходе получается смесь компонентов в количестве 40 мас.%, торф 20 мас.% и песок 50 мас.%, при этом смесь компонентов содержит, мас.%:
Оксид ванадия - 32,5
Углерод - 31,4
Оксид алюминия - 7,5
Оксид кремния - 7,5
Оксид азота - 6,8
Оксид железа - 5,3
Водород - 4,4
Оксид магния - 1,5
Оксид марганца - 0,8
Оксид свинца - 0,4
Оксид хрома - 0,4
Оксид цинка - 0,4
Азот - 0,4
Сопутствующие примеси - 0,7.
Грунтошламовая смесь, которая получена в результате термической обработки, относится к 4 классу опасности.
Данная грунтошламовая смесь может применяться, например, для рекультивации шламовых амбаров, прилегающих нарушенных земель и нефтезагрязненных земель, отсыпки обочин дорог.
При добавлении в данную смесь цемента, доломитовой муки, воды полученную композицию можно использовать для укладки 1 слоя при строительстве дорог.
Пример 2.
Для обезвреживания загружается в накопитель на установке «УЗГ-1МГЖ» нефтешлам 25 мас.%, песок 30 мас.%, торф 35 мас.% и добавляют воду 10 мас.%, при этом полная загрузка бункера накопителя составляет 6 куб. м. Термический обжиг загруженной смеси происходит в течение 1 часа при температуре 850 градусов. На выходе получается смесь компонентов в количестве 30 мас.%, торфа 20 мас.% и песка 50 мас.%, при этом смесь компонентов содержит, мас.%:
Оксид ванадия - 32,5
Углерод - 31,4
Оксид алюминия - 7,5
Оксид кремния - 7,5
Оксид азота - 6,8
Оксид железа - 5,3
Водород - 4,4
Оксид магния - 1,5
Оксид марганца - 0,8
Оксид свинца - 0,4
Оксид хрома - 0,4
Оксид цинка - 0,4
Азот - 0,4
Сопутствующие примеси - 0,7.
Грунтошламовая смесь, которая получена в результате термической обработки, относится к 4 классу опасности.
Данная грунтошламовая смесь может применяться, например, для рекультивации шламовых амбаров, прилегающих нарушенных земель и нефтезагрязненных земель, отсыпки обочин дорог.
При добавлении в данную смесь цемента, доломитовой муки, воды, полученную композицию можно использовать для укладки 1 слоя при строительстве дорог.
Пример 2.
Для обезвреживания загружается в накопитель на установке «УЗГ-1МГЖ» нефтешлам 23 мас.%, песок 35 мас.%, торф 33 мас.% и добавляют воду 9 мас.%, при этом полная загрузка бункера накопителя составляет 6 куб. м. Термический обжиг загруженной смеси происходит в течение 1 часа при температуре 900 градусов. На выходе получается смесь компонентов в количестве 30 мас.%, торф 20 мас.% и песок 50 мас.%, при этом смесь компонентов содержит, мас.%:
Оксид ванадия - 32,5
Углерод - 31,4
Оксид алюминия - 7,5
Оксид кремния - 7,5
Оксид азота - 6,8
Оксид железа - 5,3
Водород - 4,4
Оксид магния - 1,5
Оксид марганца - 0,8
Оксид свинца - 0,4
Оксид хрома - 0,4
Оксид цинка - 0,4
Азот - 0,4
Сопутствующие примеси - 0,7.
Грунтошламовая смесь, которая получена в результате термической обработки, относится к 4 классу опасности.
Данная грунтошламовая смесь может применяться, например, для рекультивации шламовых амбаров, прилегающих нарушенных земель и нефтезгрязненных земель, отсыпки обочин дорог.
При добавлении в данную смесь цемента, доломитовой муки, воды полученную композицию можно использовать для укладки 1 слоя при строительстве дорог.