Современные системы гидроизоляции источников загрязнения окружающей среды

Проблема захоронения промышленных и бытовых отходов резко актуализируется с увеличением концентрации городского населения, ростом объемов индустриального производства. Складируемые на специальных полигонах отходы являются потенциальным источником загрязнения почв, поверхностных и подземных вод, атмосферы. В процессе их разложения образуются фильтрат и дренажные газы, в природную среду проникают соли тяжелых металлов, различные углеводороды и многие другие небезопасные вещества. В связи с этим возникает необходимость в строительстве новых современных экологически безопасных полигонов для резервации отходов. Использование геосинтетических материалов в составе экранирующих систем позволяет обеспечить надежную изоляцию таких сооружений. С их помощью решаются задачи гидро– и газоизоляции участков для захоронения, отвода фильтрата и сбора биогаза, усиления слабых оснований и противоэрозионной защиты склонов.

Системы экранирования полигонов

В практике изоляции полигонов и свалок получили распространение композитные системы, включающие геомембрану, природный материал с низким коэффициентом фильтрации (глина), а также дренирующий слой (дрены, трубы) для сбора и удаления фильтрата. Гидроизоляцию дна и откосов котлована выполняют путем поочередной укладки вышеназванных материалов: глина — геомембрана — дренирующая прослойка [см. Богатов Б. А., Смычник А. Д., Шемет С. Ф. и др. Оценка безопасности шламохранилищ калийного производства. — Минск: УП «Технопринт», 2001; Верстов В.В. Современные строительные технологии для охраны окружающей среды и энергосбережения при утилизации отходов на полигонах // Монтажные и специальные работы в строительстве. — 1996. — № 10].

В настоящее время в связи с ростом индустрии производства полимерных материалов внедряются новые более совершенные конструкции, где сведено до минимума использование природных материалов, а в качестве изоляции, дренажных и защитных слоев применяются геомембраны и геотекстиль, которые являются более надежными и имеют гораздо меньшую толщину. Это позволяет существенно увеличить полезный объем котлована под отходы, что особенно важно в условиях постоянно уменьшающейся площади земель около населенных пунктов, где возможно строительство полигонов.

Системы изолирующей кровли

Для создания закрытой системы изоляции полигонов сооружаются покрывающие конструкции, которые укладываются непосредственно на отходы. Они выполняются аналогично экранам и состоят из композитного барьера, например, геомембраны и уложенного под ней слоя геосинтетической либо уплотненной природной глины, а также дренажного и газопроводящего слоев, расположенных, соответственно, выше и ниже изолирующего покрытия (рис. 1) [см. Koerner R. M., Daniel D. E. Final covers for solid waste landfills and abandoned damps. – ASCE. Reston, Va., 1997].

Рис. 1 Типичная система изолирующей кровли Современные разработки по сооружению закрытых полигонов предусматривают также эффективную газосборную систему, осуществляющую перехват и отвод биогаза из толщи отходов, а затем переработку его в энергию (рис. 2).

Рис. 2. Система сбора и удаления газа

Вертикальные барьеры и донные экраны для заброшенных свалок

В связи с тем, что глубина и состав отходов заброшенных необорудованных свалок часто оказываются неизвестными, наиболее целесообразным решением по их локализации являются сохранение массы отходов на прежнем месте и изоляция их от окружающих земель вертикальным барьером. Он может быть сформирован путем создания траншеи, которая заполняется малопроницаемым грунтом (грунт/бентонит, грунт/зольная пыль и т. д.), а верхняя грань ее оборудуется геомембраной (рулоны, панели). Такой барьер обеспечивает эффективную защиту прилегающих территорий от загрязнения продуктами разложения отходов (рис. 3). Современные решения таких изолирующих конструкций также предлагают устройство щели или ворот в геомембранной стене, через которые возможен выпуск концентрированных жидких отходов с последующей их биологической и химической обработкой [Thomas R. W., Koerner R. M. Advances in HDPE barrier walls // Geotextiles & Geomembranes. — 1996. — Vol. 14(7/8)].

Наиболее целесообразное решение по локализации отходов заброшенных необорудованных свалок — это сохранение массы отходов на прежнем месте и изоляция их от окружающих земель вертикальным барьером.

Рис. 3. Изоляция свалки с помощью вертикальных барьеров

В настоящее время остается достаточно проблематичным устройство донных экранов в целях полной изоляции котлованов с отходами. Проектные решения в этом направлении предполагают, например, осуществление под нее струйной цементации либо с помощью скважины, проходящей сквозь массу отходов, либо, что предпочтительно, наклонного, бокового бурения без их затрагивания (рис. 4) [Brandl H. Geomembranes for vertical waste containment sealing // Geotextiles Geomembranes and Related Products: Proc, 4th Int. Conf. // The Hague. — Netherlands, 1990; Gabr M.A. Longwall mining technique for liner placement // Report to U.S. Bureau of Mines).

Рис. 4. Устройство изолирующего дна свалки

На стадии разработки сейчас находится проект (возможный вариант выполнения этой задачи), включающий сооружение глубокой шахты, через которую можно было бы установить сплошной горизонтальный геомембранный пол под толщей отходов. Его конструкция включает композитный слой из геомембраны и геосинтетической глины, дополняемый вышележащим пластом из геотекстильных труб. Реализация такой разработки, представленной Бюро подземных выработок США, обеспечила бы полное капсулирование содержимого свалок, что гарантировало бы их полную безопасность для окружающих территорий.

Современные подходы к проблеме обезвреживания

бытовых и промышленных отходов

В настоящее время захоронение коммунальных отходов на полигонах остается одним из самых распространенных способов их обезвреживания. Поскольку традиционные технологии захоронения с каждым годом требуют вывода из хозяйственного оборота все большего количества земельных угодий и существенно ухудшают экологию окружающей среды, необходимо изыскивать новые подходы к проблеме, позволяющей существенно снизить загрязненность территорий.

Процесс разложения отходов, во многом зависящий от состава компонентов, занимает достаточно длительный период, время завершения которого порой трудно прогнозируемо. Так как прочностные свойства экранирующих материалов со временем снижаются и возможно нарушение их сплошной поверхности и утечка фильтрата, зарубежными учеными предложена технология ускорения процесса разложения отходной массы. Это может быть достигнуто путем введения в нее отработанных фильтратов, которые выделяются в процессе

Процесс разложения отходов, во многом зависящий от состава компонентов, занимает достаточно длительный период, время завершения которого порой трудно прогнозируемо.

гниения, отводятся посредством дренажной системы и повторно вводятся в толщу отходов. В результате за время гораздо меньшее, нежели в естественных условиях, происходит их разложение, сопровождающееся усиленным образованием биогаза. Возможно также выполнение аэробного разложения, предусматривающеее закачку воздуха вместе с фильтратом. Процесс разложения также ускоряется, но без выделения газа. Такое технологическое решение, апробированное на ряде объектов США, показало хорошие практические результаты и может стать перспективнымрешением проблемы функционирования полигонов и свалок.

Эффективным способом переработки твердых коммунальных отходов является их прессование с помощью современного оборудования глубокого прессования.

Метод переработки прессованием имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционной технологией. Он основан на прессовании отходов в тюки с гарантированной плотностью 1 т/м3. При прессовании происходит удаление жидкой фракции, вследствие чего резко сокращается объем образования газов, исключается возгорание отходов, загрязнение почвенных вод, отсутствует рассеивание легких фракций отходов ветром. Высокая степень уплотнения не допускает впитывания в кипы атмосферных осадков. В кипе мусор не гниет, а истлевает, не происходит выделения метана, загрязнения атмосферы, отсутствует фильтрат. Устраняется благоприятная среда для размножения грызунов, птиц, бездомных животных и т. д. Способ прессования отходов позволяет существенно повысить объем захоронений на полигонах, в два раза увеличить срок их эксплуатации.

Одним из перспективных направлений в области новых технологий обезвреживания и переработки ТБО является газификация отходов. Процесс газификации заключается в переработке массы отходов при температуре 1400–2000 °С без доступа кислорода. В результате происходит практически полное разложение исходных продуктов на твердый остаток (не более 10 %) и газы, состоящие из водорода, метана, углекислого газа и т. д. Затем они сжигаются для получения электроэнергии.

Газификация осуществляется в реакторных установках и включает несколько стадий: пиролиз, подсушивание, окисление. Последовательность и температура переработки регулируются в зависимости от состава исходного сырья. Предварительно ТБО подвергают дополнительному измельчению, удаляют негорючие объекты и металлы. Преимуществом такого способа переработки является то, что величина получаемой энергии в 3–5 раз больше, чем при прямом сжигании. Для переработки опасных продуктов сгорания сжигающие установки оборудованы фильтрами.

Примеры применения

Активное применение геосинтетиков в мировой практике изоляции природоохранных объектов наблюдается с середины 80-х годов. Особенно активно новые технологии, связанные с захоронением отходов на полигонах, продвигаются в Германии, где ежегодно выпускаются новые эффективные строительные материалы. Применение геосинтетиков для гидроизоляции полигонов также широко практикуется в США, Чехии, Италии.

Хорошие результаты показали практические решения с использованием геосинтетиков, реализованные при организации одного из полигонов в Германии [см. Шлее Ю., Никогосов Х. Н., Ткачев А. А. Современные технологии строительства полигонов для захоронения отходов с использованием геосинтетических материалов // Экология и промышленность России. — 2003. — №1]. Для его обустройства использованы новые геосинтетические материалы. Гидроизоляция основания выполнена с помощью материала Бентофикс, заменителя природной глины и устраиваемой поверх него мембраны Карбофол. Далее уложен нетканый геотекстильный материал Секутекс, защищающий мембрану от механических повреждений, а затем дренажный слой из гальки. Поверх этой изолирующей конструкции размещаются слои твердых бытовых отходов. Рекультивация объекта выполнена следующим образом: на слой отходов отсыпается выравнивающий слой грунта, затем последовательно укладываются дренажный материал Секудрен, изолирующая система с защитным слоем Бентофикс-Карбофол-Секутекс и снова дренажное покрытие из Секудрена, на который насыпается слой плодородной почвы. Такой конструктивный подход позволил создать систему изоляции с общей толщиной в 2 раза меньше по сравнению с традиционной, увеличить полезный объем полигона более чем на 2,5 м3/м2, свести до минимума использование природного строительного материала, получить существенный экономический эффект за счет снижения транспортных затрат и затрат на монтаж материала.

В городе-курорте Брешиа (Италия) в связи с необходимостью расширения системы утилизации ТБО был сооружен новый блок для захоронения твердых отходов, гидроизоляция днища и откосов которого выполнена с применением геосинтетических материалов — геомембраны HDPE и геосеток Tenax. Задача состояла в том, чтобы увеличить эксплуатационные мощности существующего полигона путем создания нового инженерно обустроенного участка для складирования ТБО на территории площадью до 40 тыс. м2 с планируемой емкостью захоронений 1 млн. м3 в соответствии с государственным законом, регулирующим системы утилизации.

Для получения требуемого объема было решено выполнить сооружение новых карт захоронения глубиной 18 м с углом заложения откосов 45°. Планируемая высота отвала над уровнем земной поверхности — 7 м. Так как карты складирования отходов размещены на грунте, сложенном из цементированного песка и гравия и обладающем высоким коэффициентом фильтрации, гидроизоляция и дренаж дна и откосов котлована выполнены следующим образом. По дну котлована уложен слой глины толщиной 1 м и поверх нее геомембрана из полиэтилена высокой плотности толщиной 2 мм. Дренаж выполнен из послойной гравийно-песчаной отсыпки с прокладкой в ее толще полиэтиленовых дренажных труб для сбора и удаления фильтрата из толщи отходов. Так как на откосы с требуемым заложением глиняную облицовку уложить невозможно, гидроизоляция их была выполнена из 2 слоев геомембраны с укладкой между ними геосетки TenaxCE 204 толщиной 5 мм, выполняющей роль дренажа. Геосетка вместе с защитными геомембранами закреплены в траншее на вершине склона. Такая конструкция позволила возвести откос требуемого заложения с обеспечением его устойчивости. Используемая геосетка успешно заменила применяемый в традиционных конструкциях дренаж из песка толщиной 0,5 м, чем достигнуто увеличение емкости захоронений на величину 0,25 м3 на каждый м2 геосетки. Устройство гидроизоляции из гемембраны обеспечило надежную противофильтрационную защиту в период строительства и эксплуатации.

Наработан опыт применения геосинтетиков для гидроизоляции и защиты грунтовых вод от загрязнения стоками свалок и промышленных предприятий в Санкт-Петербурге

(Россия). Дляпокрытиякарт полигона промышленных отходов «Красный бор» (Ленинградская область), заполненных жидкими нефтесодержащими токсичными отходами, были использованы полиэтиленовая геомембрана и бентонитовый мат NaBento [см. Применение геосинтетических материалов в гражданском строительстве // Петербургский строительный рынок. — 2005. — №11]. Основание карт и их борта сложены из кембрийских глин, обладающих низкой водопроницаемостью и обеспечивающих надежную гидроизоляцию полигона. Тем не менее, по мере заполнения и попадания атмосферных осадков карты переполняются, и токсичные отходы вытекают за их пределы. В связи с этим было принято решение устроить обваловки с покрытием их бентонитовым матом и закрыть заполненные карты сплошным изолирующим слоем из листов геомембраны, сваренных между собой. Затем геомембрана и бентонитовые маты перекрываются сверху слоем песка и грунта с устройством системы лотков для отвода атмосферных осадков. Откосы обваловок карт с целью защиты от эрозии будут покрыты геоматом Enkamat, засыпаны грунтом и засеяны травой.

В 2006 году пущен в эксплуатацию полигон по захоронению твердых коммунальных и промышленных отходов «Тростенецкий»в г. Минске (Беларусь), оборудованный с учетом всех современных санитарных требований и использованием новых технологий по устройству гидроизоляции.

Город Минск ежегодно размещает на объектах захоронения около 4 млн. кубометров промышленных и бытовых отходов. Новый полигон, занимающий площадь около 30 га, рассчитан на складирование отходов в течение 22,5 лет. Планируемая емкость захоронений — около 5,5 млн. кубометров при объеме накопления фильтрата 50 тыс. м3/год. Карты для складирования ТБО имеют глубину 13 м, а планируемая высота отвалов над уровнем земной поверхности 25–30 м. Полигон размещен на достаточно мощном, не насыщенном водой песчаном основании. Тем не менее, высокая водопроницаемость отложений этого участка увеличивает риск загрязнения грунтовых вод и снижает их защищенность. С целью минимизации негативных воздействий на окружающую среду были внедрены технологии по устройству гидроизоляции дна и бортов котлована с применением геосинтетических материалов. Противофильтрационный экран выполнен из бентонитового мата толщиной 4,2 мм и мембраны марки RomfoliHDPE (2 мм), защищенной слоем нетканого геотекстиля (производство РБ). Дренаж образован слоем гравия и песка толщиной 25 и 5 см соответственно. Примененная для создания полигона противофильтрационная конструкция, предусматривающая опрессовку сварных швов водонепроницаемой пленки и систему дренажа фильтрата, является наиболее надежной и экологически безопасной при складировании твердых бытовых отходов и практически исключает проникновение загрязнения в подземные воды.

Проект выполнения изолирующей кровли по завершении эксплуатации полигона предусматривает укладку на толщу отходов геомембраны Romfoli HDPE, защищенной сверху и снизу геотекстильным материалом Romisol PP. Сверху изолирующая кровля покрывается рекультивируемым слоем почвы.

Для выявления проникновения загрязнения под гидроизоляционный экран в подлежащей толще грунта закладывается сеть датчиков, позволяющих определить место проникновения загрязнителей и контролировать формирование очага загрязнения. Полигон также оборудован сетью пожарных резервуаров на случай возгорания отходов.

При заполнении полигона до уровня земной поверхности основным фактором влияния на чистоту почв становится ветровой перенос загрязнителей. С целью предотвращения выноса мусорной пыли за пределы карт полигона устанавливаются переносные сетчатые ограждения. Бытовые отходы в теплое время года предполагается увлажнять и ежедневно изолировать слоями грунта мощностью 0,2 м.

Примером применения геосинтетических материалов в Беларуси являются объекты ПО «Беларуськалий».

Производственное объединение «Беларуськалий» является одним из крупнейших производителей калийных удобрений в мире. Являясь производителем продукции, крайне необходимой народному хозяйству, объединение, в то же время, оказывает определенное отрицательное воздействие на окружающую среду. В результате складирования на поверхности земли значительных отходов калийного производства в виде шламохранилищ (глинисто-солевые шламы) и солеотвалов (галитовые отходы) происходит изменение ландшафтов, загрязнение поверхностных и подземных вод (засоление, загрязнение тяжелыми металлами), теряются сельскохозяйственные угодья. Ветровая эрозия отходов, пылегазовыбросы и испарение рассолов с поверхности шламохранилищ ухудшают условия проживания населения. Над выработанным пространством при ведении горных работ происходит оседание земной поверхности.

Шламохранилища, хвостохранилища и образующие их дамбы возводятся в непосредственной близости от горно-обогатительных предприятий, вследствие чего часто попадают в зону подработки, мульду сдвижения, что может повлечь их значительные деформации и даже разрушения, грозящие затоплением шламами больших площадей.

Одним из конструктивных мероприятий по снижению опасности образования трещин в теле дамб при их подработке и сведению к минимуму фильтрационных потерь является устройство противофильтрационных элементов из полиэтиленовой стабилизированной сажей пленки марки «В» [см. Круглов Г.Г., Гатилло С.П., Минчукова М.Е. Исследование устойчивости откосов дамб шламохранилищ, оборудованных пленочными противофильтрационными элементами, на подрабатываемых территориях // Гидравлические и гидрологические аспекты надежности и безопасности гидравлических сооружений: Материалы Международного Симпозиума / Академия МАГИ, ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. — СПб, 2002]. В настоящее время на территории Солигорского промышленного района эксплуатируется более сорока дамб, большинство из которых имеют пленочные экраны, уложенные по верховому откосу ограждающих дамб и ложу шламохранилищ (рис. 5а). Функционирует также дамба с пленочным экраном, выполненным ступенчатой формы с послойно-непрерывной укладкой по центральной части и верховому откосу на 1/2 высоты дамбы и далее до основания прямолинейной укладкой. Ступенчатая часть экрана выполнена из двух слоев пленки (рис. 5б).

Рис. 5. Схемы дамб Солигорского промышленного района ПО «Беларуськалий»:

а) с пленочным экраном, уложенным по верховому откосу;

б) с пленочным ступенчатым экраномСтупенчатые экраны, несмотря на ограниченность практического применения, по

Ступенчатые экраны, несмотря на ограниченность практического применения, по нашему мнению, имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными, устраиваемыми по верховому откосу. Кроме выполнения противофильтрационной функции, такая конструкция, в случае осадки сооружения, нарушая однородный характер деформаций, препятствует образованию непрерывных поверхностей обрушения и распространению в теле дамбы сквозных продольных и поперечных трещин, поскольку они прерываются витками пленки. Трещины также способны самозалечиваться (закрываться благодаря подвижности грунтовых частиц) в большем объеме тела дамбы, так как образующий ее грунт в значительной части сооружения находится в насыщенном состоянии.

В настоящее время мировая промышленность вырабатывает большое количество разнообразных геосинтетических материалов специально для строительных целей. Востребованность геосинтетиков и постоянно увеличивающийся рост их производства обусловлены разнообразием и уникальностью их свойств.

Обладая совокупностью высоких физико-механических и химических показателей, геосинтетики проявляют хорошую сопротивляемость механическим нагрузкам, химическую и биологическую стойкость к воздействию широкого спектра загрязняющих веществ и агрессивных сред, в том числе и таких, где использование других строительных материалов невозможно.

Современные композитные материалы отличаются широкими функциональными возможностями, благодаря чему создают в конструкциях эффективные и экономичные системы «экран–дренаж», «гидроизоляция–арматура», «фильтр–дренаж–защита–гидроизоляция» и т.д. Это дает возможность заменить несколько элементов разного назначения, выполненных из традиционного материала, одним, выполненным из геосинтетика.

Современные технологии строительства с использованием геосинтетических материалов позволяют создавать новые типы конструкций, превосходящие традиционные по прочности, надежности и долговечности с одновременным уменьшением расхода природных строительных материалов, сокращением сроков строительства и энергозатрат, а также обеспечением социально-экологической безопасности эксплуатируемых сооружений.