В России строительство полигонов захоронения отходов обычно ведется из местных грунтов с низким коэффициентом фильтрации. При отсутствии малопроницаемых грунтов, существующие нормативные документы (СНИП 2.01.28-85, 1985; Санитарные правила СП 2.1.7.1038-01, 2001) предусматривают использование специально разработанных покрытий, с низкими коэффициентами фильтрации. Для полного предотвращения возможности проникновения загрязняющих веществ в подстилающие грунты и водоносные горизонты необходимо применять комплексный подход, включающий не только предотвращение фильтрации, но и надежное фиксирование токсикантов на искусственном геохимическом барьере. В этом случае система защиты окружающей среды от проникновения токсикантов получится многослойной (многослойный защитный экран) (см. рис.1). В качестве подобного геохимического барьера можно предложить к использованию грунтовый композит с высокими сорбционными свойствами.
До настоящего времени предпринимались немногочисленные попытки трансформации грунтов с точки зрения их сорбционной способности, например, добавлением силикатных гелей, негашеной извести, глинистого вещества и т.д. Однако следует иметь в виду, что, при изменении pH среды или воздействии реагентов, такие грунты начинают работать как вторичный загрязнитель, отдавая сорбированные токсиканты обратно в окружающую среду. Соответственно, вопрос создания сорбирующего модифицированного грунта не может считаться решенным.
Перспективными для создания подобного геохимического барьера могут быть грунтовые композиты с добавлением карбамидной смолы, так как отходы большинства производств имеют кислую или слабокислую среду, а именно в такой среде карбамидные смолы полимеризуются, причем необратимо. Таким образом, целью настоящей работы является разработка рецептуры обезвреживания токсикантов путем накопления на геохимическом барьере многослойного защитного экрана. В качестве геохимического барьера предлагается использовать грунтовые композиты с добавлением карбамидной смолы для повышения их сорбционной емкости по отношению к загрязняющим веществам.
В качестве загрязняющего вещества был выбран свинец, т.к. с точки зрения влияния на нормальную жизнедеятельность живых организмов, этот тяжелый металл является одним из наиболее опасных элементов, т.к. не обладает никакими биологическими функциями, из-за чего токсичен для живых организмов при любых концентрациях.
Произвести предварительные расчеты эффективности работы предлагаемого геохимического барьера.
Научная новизна
1. Впервые изучено взаимодействие многослойного защитного экрана, состоящего из малопроницаемого слоя (монтмориллонит) и геохимического барьера (карбамидно-песчаный композит) со свинцом. Показано, что сорбционная емкость геохимического барьера, по отношению к свинцу зависит от соотношения объемов смолы и песка (оптимальное 1:1,5), гранулометрического состава песка (оптимально среднезернистый), скорости и режима фильтрации.
2. Изучено взаимодействие каждого из компонентов предлагаемой системы многослойной защиты с раствором соли свинца. Показано, что эффективность каждого компонента, как геохимического барьера различна: монтмориллонит способен сорбировать до 300 мг свинца на г монтмориллонита; песок сорбирует до 2 мг свинца на г песка; карбамидная смола сорбирует до 60 мг свинца на г смолы.
3. Устойчивость каждого из компонентов системы многослойной защиты при воздействии реагентов, рекомендуемых отечественными и зарубежными нормотивными документами, различна: монтмориллонит при использовании постадийной экстракции отдает более 90% свинца обратно в раствор; из песка при использовании постадийной экстракции десорбируется более 90% свинца; из карбамидной смолы свинец не экстрагируется ни одним из рекомендуемых нормативными документами реагентов.
4. Разработана принципиальная схема защитных покрытий и экранов, предлагаемых к использованию при строительстве полигонов захоронения свинецсодержащих отходов.
Защищаемые положения
1. Теоретически и экспериментально обоснован состав грунтового композита, являющегося надежным средством создания геохимических барьеров, удерживающих свинец. Грунтовый композит должен состоять из карбамидной смолы и кварцевого песка. Количество, поглощенного грунтовыми композитами свинца зависит от соотношения смола/песок, которое определяет режим фильтрационного процесса, а также от размера песчаных зерен, скорости фильтрации раствора токсиканта и качества экрана.
2. Особенности взаимодействия компонентов грунтовых карбамидно-песчаных композитов со свинцом, заключается в следующем: песок слабо сорбирует свинец (до 2 мг/г), и более 90% свинца экстрагируется из образцов; карбамидная смола активно сорбирует свинец (около 60 мг/г), при этом свинец практически не удаляется оттуда при воздействии реагентов, рекомендуемых отечественными и зарубежными нормативными документами.
3. Эффективность геохимического барьера обусловлена высокой сорбционной емкостью карбамидно-песчаного композита и тем, что в процессе фильтрации кислых растворов свинца, последний жестко встраивается в структуру карбамидной смолы, которая полимеризуясь, становится цементирующим веществом модифицированного грунта, при этом свинец не удаляется из структуры полимера ни одним из рекомендуемых нормативными документами реагентов.
4 Оптимальное отношение объемов компонентов грунтового композита - смолы и среднезернистого песка, - установленное экспериментально, составляет 1:1,5. Это позволяет обосновать оптимальную структуру многослойного защитного экрана по отношению к свинцу. В оптимальном соотношении карбамидно-песчаный композит сорбирует до 500 мг свинца на см3 композита. Оптимальной структурой многослойного защитного экрана можно считать геохимический барьер (грунтовый композит в оптимальном отношении объемов) и малопроницаемый слой со скоростью фильтрации не выше 10-6 см/с.
Практическая значимость. Результаты исследований следует рассматривать в качестве научной основы для применения новой многослойной структуры защитных экранов, используемых при эксплуатации полигонов захоронения свинецсодержащих отходов. Новая структура заключается в использовании многослойной системы защиты, состоящей из малопроницаемого слоя и геохимического барьера. В качестве геохимического барьера рекомендуется использовать грунтовый карбамидно-песчаного композит.
Разработан оптимальный состав (соотношение смола: песок 1:1,5, при скорости фильтрации 10-6 см/с, с использованием среднезернистого песка) грунтового композита, который может служить дополнительным средством, повышающим эффективность и надежность защитного экрана в комплексе традиционно используемых методов при строительстве полигонов захоронения свинецсодержащих отходов.
Карбамидная смола является эффективной при создании геохимических барьеров, на основе фильтрующих грунтовых композитов, обладающих высокой сорбционной емкостью и иммобилизующим эффектом по отношению к свинцу для систем многослойной защиты. В процессе фильтрации кислых растворов свинца, последний жестко встраивается в структуру карбамидной смолы, которая полимеризуясь, становится цементирующим веществом модифицированного грунта. При этом свинец не удаляется из структуры полимера ни одним из реагентов, рекомендуемых нормативными документами.
Апробация работы. Основные результаты обсуждались на VIII Международном конгрессе <Вода: экология и технология> ЭКВАТЭК-2008 (Москва, 2008), Международной научной конференции <Ломоносов - 2008> (Москва, 2008), IV, V и VIII Межвузовской молодежной научной конференции <Школа экологической геологии и рационального недропользования> (Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2006, 2007 гг), Научно-практической конференции молодых специалистов <Инженерные изыскания в строительстве> (Москва, 2008), опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК <Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология> (Москва, 2009, N3) и <Вестник Московского университета. Серия 4. Геология> (Москва, 2009, N6). Результаты работы докладывались на заседании кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова 30 сентября 2009 г.
Структура работы, фактический материал и вклад автора. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и приложения. Объем диссертации составляет 165 страниц, сопровождается 32 таблицами и 44 рисунками и приложений на 26 страницах. Список использованной литературы включает 135 наименований.
Теоретическая и экспериментальная части данной работы выполнены лично автором на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова за период обучения в очной аспирантуре с октября 2006 г. по сентябрь 2009 г.
Основные положения работы и ее выводы обосновываются на результатах более 600 длительных лабораторных экспериментов, выполненных лично автором на 38 образцах модельных дисперсных песчаных грунтов, и проведенных по ним расчетам.
Хочется выразить огромную благодарность, прежде всего моему научному руководителю к.г.-м.н. доценту Е.Н. Самарину, без чьей помощи написание данной работы было бы просто невозможно. Выражаю глубокую благодарность д.г.-м.н. проф. Ю.К. Васильчуку, д.г.-м.н. проф. С.Д. Воронкевичу, д.г.-м.н. проф. Г.А. Голодковской, д.г.-м.н. проф. В.А. Королеву, д.г.-м.н. проф. С.П. Позднякову, к.г.-м.н. с.н.с. М.Ф. Вигасиной, к.г.-м.н. доц. И.Ю. Григорьевой, к.г.-м.н. доц. С.К. Николаевой, к.х.н. доц. Б.Н. Тарасевичу, к.г.-м.н. с.н.с. В.М. Ладыгину, к.г.-м.н. с.н.с. Н.А. Ларионовой, к.г.-м.н. с.н.с. Ю.В. Фроловой, к.г.-м.н. с.н.с. В.Г. Шлыкову, к.г.-м.н. в.н.с. Т.Г. Шимко, к.г.н. С.В. Голубеву, инженеру О.И. Голубцовой и многим другим за поддержку, советы и помощь при работе над диссертацией.
