Full Text

Введение В Архангельской области, отличающейся малой плотностью населения и неразвитой транспортной инфраструктурой, вывоз бытовых отходов на переработку или складирование на хорошо организованных полигонах представляет собой сложную, а иногда невыполнимую задачу. По этой причине в регионе эксплуатируются сотни мелких свалок. При их устройстве обычно ограничиваются созданием экранов из местных глинистых грунтов, которые не могут служить надежной защитой основания от проникновения фильтрата. Глинистым грунтам часто присуща неоднородность состава, например присутствие линз песка, они плохо уплотняются, а под действием промерзания / оттаивания и увлажнения / высушивания коэффициент фильтрации может увеличиться на два порядка [1, 2]. В 80-х гг. прошлого века для изоляции бытовых отходов стали применять песчано-бентонитовые смеси (ПБС) [1, 3]. Указанные смеси при правильно подобранном составе и тщательном перемешивании отличаются низкой водопроницаемостью, отсутствием морозного пучения и усадки [4, 5]. Считается, что для применения смеси на свалках минимальная добавка бентонита к песку составляет 1,5 %, а внесение 5-10 % обеспечивает коэффициент фильтрации смеси не более 10-4 м/сут [6-8]. Смеси отличает однородность состава и свойств, удобоукладываемость, а наличие каркаса из песчаных частиц обуславливает высокие деформационно-прочностные характеристики и отсутствие усадки [5, 9, 10]. В последние годы рассматриваемый способ изменения свойств грунта иногда называют модификацией с помощью наноматериалов или наноглин [11]. Позднее ПБС стали применять для изоляции хранилищ радиоактивных отходов, тем более что бентонит способен сорбировать ионы тяжелых металлов [11, 12]. Проводились исследования по применению на свалках смесей бентонита с каменноугольной золой [13]. Используют ПБС и для изоляции каналов с высоковольтными кабелями [14]. Эксперименты с ПБС выявили проблему, связанную с их подготовкой. В лабораторных условиях смеси преимущественно готовят из сухих ингредиентов, применяя длительное механическое перемешивание, например в миксере с числом 300 об/мин в течение 30 мин [11, 15]. Даже небольшой рост влажности увеличивает неоднородность получаемой смеси из-за того, что частицы бентонита начинают преждевременно набухать и образуют агрегаты и комки [11, 16, 17]. Например, в лабораторных экспериментах для обеспечения равномерного увлажнения сухую смесь перемешивали с ледяной пудрой, а не с водой или выдерживали над парами воды [18, 19]. Обычно для применения в экранах сухие смеси готовят в заводских условиях. Имеется также опыт их приготовления перемешиванием с раствором, а точнее с суспензией, содержащей 4-10 % бентонита [5, 20, 21]. Таким образом, ПБС активно изучаются и находят применение для изоляции отходов различной степени опасности. Но бентонит - это лишь одна из высокодисперсных глин. В частности, на одном из предприятий алмазодобывающей промышленности Архангельской области не находят применения отходы обогащения кимберлитовой руды, минералогический состав которой отличает высокое содержание сапонита (до 87 %) - минерала группы монтмориллонитов [22]. Удаление отходов ведется средствами гидротранспорта, поэтому в хвостохранилище фракция высокодисперсной глины находится в виде суспензии. Из-за крайне медленной седиментации частиц и высоких затрат энергии на удаление воды высушиванием проекты, предусматривающие использование обезвоженного осадка, например, при производстве кирпича, цемента, не реализуются [23]. Принимая во внимание чрезвычайно высокую удельную поверхность сапонита (400…600 м2/г), можно ожидать, что даже небольшая его добавка будет существенно снижать водопроницаемость и повышать сорбционную емкость грунтов по отношению к поллютантам, содержащимся в фильтрате с накопителей отходов. Исходя из этого, можно рассчитывать, что проблемы недостаточной изоляции многочисленных свалок твердых бытовых отходов (ТБО), с одной стороны, и утилизации хвостов алмазодобывающей промышленности, с другой стороны, могут быть частично решены за счет модификации местных грунтов сапонитсодержащими фракциями отходов. Как отмечалось выше, перемешивание песка с суспензией возможно, но требует тщательного перемешивания, а значит, и больших затрат энергии. Наиболее эффективным способом осуществления модификации грунтов могла бы стать кольматация пор глинистыми частицами при фильтрации суспензии, причем возможно применение этого способа как при организации новых накопителей отходов, так и на действующих свалках. Так, авторами получен патент на изобретение, согласно которому производится изоляция накопителей путем подачи в их основание глинистой суспензии [24]. Кольматация песков при фильтрации суспензии бентонитовой глины для снижения потерь воды из каналов исследовалась начиная с 50-х гг. прошлого века [25]. Эксперименты показали, что способ требует тщательного подбора режима фильтрации, в противном случае может происходить накопление глинистых частиц на поверхности песка или, наоборот, их вынос потоком воды при эксплуатации сооружения [25, 26]. Целью настоящих исследований было изучение возможности модификации песков основания накопителей отходов с помощью высокодисперсных фракций отходов обогащения алмазоносной руды и обоснование метода внесения модифицирующей добавки путем фильтрации сапонитсодержащей суспензии. Материалы и методы Испытания по кольматации пор сапонитсодержащей суспензией проводились на аллювиальном мелком песке со следующим содержанием фракций: менее 0,1 мм - 4,4…6,7 %; от 0,1 до 0,25 мм - 56,4…62,1 %; крупнее 0,25 мм - 31,7…37,0 %. Плотность частиц составляла 2,64…2,66 г/см3. Испытания проводились при трех значениях коэффициента уплотнения 0,90…0,92; 0,93…0,96 и 0,96…1,00, характерных для оснований накопителей, защитных слоев и ограждающих дамб. Концентрация отобранной из пруда - отстойника хвостохранилища сапонитсодержащей суспензии составляла 0,58…0,63 %. Твердая фаза представлена преимущественно частицами размером менее 0,001 мм - 91,5…94,2 %, содержание частиц от 0,001 до 0,002 мм составляло 0,5…2,5 %. Экспериментальная установка состояла из трех камер трехосного сжатия компании Geocomp и полуавтоматических устройств для подачи суспензии и воды (рис. 1). Применение камер с боковым обжатием образцов позволило исключить пристенную фильтрацию и обеспечить близкое к природному напряженно-деформированное состояние образцов [27]. Схема установки приведена на рис. 2. Рис. 1. Экспериментальная установка Fig. 1. Experimental apparatus Испытывались образцы диаметром 73 и высотой 145 мм. В камерах поддерживалось давление 100 кПа. Постоянный уровень жидкости в подающей емкости поддерживался в автоматическом режиме с помощью центробежного насоса, включение которого осуществлялось переключателем-герконом под воздействием магнитного поля от неодимового магнита, закрепленного на поплавке. Суспензию в ходе опыта постоянно перемащивали магнитной мешалкой, размещенной под емкостью. Первая серия экспериментов проводилась на образцах песка, вторая и третья серии - на образцах песка с добавками мела (CaCO3) и доломита (CaCO3·MgCO3), вызывающими агрегацию глинистых частиц и способствующими их накоплению в слое песка [26]. Указанные добавки в количестве 3 и 5 % от массы сухого песка вносили в среднюю по высоте треть образцов. У мела и доломита предварительно отсеивали и удаляли частицы крупнее 0,1 мм. В начале эксперимента образцы насыщали дистиллированной водой. Для этого воду при градиенте напора 0,25 пропускали через образцы снизу вверх в течение 12 ч. Далее при движении воды в том же направлении замеряли ее расход в течение 1 ч с двукратной повторностью при градиентах напора 0,25; 0,5; 0,75 и 1 (схема подключения на рис. 2, а). По результатам измерений определяли коэффициент фильтрации образцов при трех значениях коэффициента уплотнения. После насыщения приступали к фильтрации через образцы сапонитсодержащей суспензии. Она направлялась через образец сверху-вниз - как в основании накопителей отходов (схема подключения на рис. 2, б). Известно, что при проведении опытов с ПБС проблему представляет накопление мелких частиц на пористых фильтрах, что может искажать получаемые значения коэффициента фильтрации исследуемого материала [7]. Опытным путем нами было установлено, что осаждение частиц сапонита на перфорированном вкладыше не происходит при скорости фильтрации суспензии через образец 3,5 м/сут и более. Из-за падения водопроницаемости песка по мере кольматации пор глинистыми частицами для поддержания указанной скорости требовалось постепенное повышение градиента напора. Фильтрацию начинали при градиенте напора «2», затем его повышали на один каждые 10 мин. При последнем значении градиента напора суспензию подавали в течение 60 мин для кольматации пор по всей высоте образцов. Подачу прекращали при градиенте напора «10» или при выходе частиц глины через нижний торец образца. Следующий этап экспериментов заключался в очистке перфорированного вкладыша от осевших частиц сапонита путем циркуляции потока дистиллированной воды в надштамповом пространстве в течение 12 ч (схема подключения на рис. 2, в). Кроме того, опытным путем было установлено, что за указанное время происходила коагуляция глинистых частиц при взаимодействии мелом или доломитом. В завершение каждого эксперимента определяли коэффициент фильтрации модифицированного образца при четырёх постоянных градиентах напора - 0,25; 0,5; 0,75 и 1 - с пропуском дистиллированной воды снизу вверх (см. схему подключения на рис. 2, а). При каждом градиенте выполнялось не менее четырех замеров объема профильтровавшийся воды. Переход на следующую ступень напора осуществляли лишь при достижении равных значений коэффициента фильтрации в течение последних 12 ч (установившийся коэффициент фильтрации). Каждая серия экспериментов повторялась два-три раза. а б в Рис. 2. Схема экспериментальной установки: а - схема подключения трубок при насыщении образца водой и определении исходного коэффициента фильтрации; б - при кольматации пор глинистыми частицами; в - при очистке перфорированного вкладыша от осевших частиц. 1 - вода/суспензия; 2 - поплавок; 3 - магнит; 4 - геркон; 5 - неодимовый шар для перемешивания суспензии; 6 - магнитная мешалка; 7 - коллектор для подачи воды/суспензии к трем камерам; 8 - регулятор положения сливного отверстия; 9 - рабочая жидкость для создания давления в камере; 10 - образец; 11 - верхний перфорированный вкладыш; 12 - гравийный фильтр Fig. 2. Experimental apparatus scheme: a - scheme of tubes connection during sample saturation and determination its initial water permeability; б - during the process of sample clogging by clay particles; в - during cleaning the perforated disk from sedimented particles. 1 - water/suspension; 2 - floating ring; 3 - magnet; 4 - reed switch; 5 -magnetic ball; 6 - magnetic mixer; 7 - connector for water/slurry supplying of the three chambers; 8 - drain hole positioner; 9 - operating fluid; 10 - sample; 11 - upper perforated disk; 12 - gravel filter (Н1, Н2 - уровни воды в установке) Результаты Зависимости скорости фильтрации воды через образцы песка от градиента напора v = f (I) в первой серии экспериментов показаны на рис. 3, а. Средние значения исходного коэффициента фильтрации составили 2,0, 1,8 и 1,3 м/сут при коэффициенте уплотнения образцов песка 0,90…0,92; 0,93…0,96 и 0,96…1,00 соответственно. При фильтрации сапонитсодержащей суспензии был зафиксирован вынос частиц глины через нижние торцы при градиенте напора «7» на образцах с коэффициентом уплотнения до 0,95 и при градиенте «10» - с коэффициентом уплотнения 0,98…0,99. Скорость потока суспензии при этом составляла 3,5-5,4 м/сут. Зависимости v = f (I) при повторном пропуске воды снизу вверх через модифицированные образцы, т.е. после пропуска через них суспензии, показаны на рис. 3, б. Оказалось, что средние значения коэффициента фильтрации изменялись в весьма узком интервале - 0,93…0,99 м/сут - вне зависимости от степени уплотнения образцов. Столь незначительное снижение водопроницаемости объясняется наблюдающимся уже при градиенте напора «0,25» выносом глинистых частиц потоком воды. а б Рис. 3. Зависимости v = f (I) для образцов песка: а - в исходном состоянии; б - после пропуска суспензии Fig. 3. Relations v = f (I) for sand samples: а - initial state; б - after clogging При внесении мела в количестве 3 и 5 % от массы сухого песка в среднюю по высоте треть образцов исходный коэффициент фильтрации воды снизился по отношению к образцам песка без добавок в 1,29…1,42 и 1,85…3,20 раза, соответственно. Зависимости v = f (I) показаны на рис. 4а и 5а. Следует отметить, что влияние добавки мела на начальный коэффициент фильтрации возрастало при снижении коэффициента пористости образцов. При фильтрации сапонитсодержащей суспензии через образцы с мелом вынос глинистых частиц через их нижний торец не наблюдался. Подачу суспензии прекращали при градиенте напора «10», при этом скорость ее потока через образцы составляла 2,3…3,4 и 1,9…2,3 м/сут при содержании мела 3 и 5 % соответственно. Зависимости v = f (I) через модифицированные образцы показаны на рис. 4, б и 5, б соответственно. Средние значения коэффициента фильтрации при содержании мела 3 и 5 % составили 0,03…0,08 м/сут, т.е. кольматация пор глинистыми частицами привела к снижению водопроницаемости образцов в 15…39 раз. а б Рис. 4. Зависимости v = f (I) для образцов песка с добавкой мела 3 %: а - в исходном состоянии; б - после пропуска суспензии Fig. 4. Relations v = f (I) for sand samples with addition of chalk 3 %: а - initial state; б - after clogging а б Рис. 5. Зависимости v = f (I) для образцов песка с добавкой мела 5 %: а - в исходном состоянии; б - после пропуска суспензии Fig. 5. Relations v = f (I) for sand samples with addition of chalk 5 %: а - initial state; б - after clogging При добавке 3 % доломита в среднюю треть образцов начальный коэффициент фильтрации по сравнению с образцами песка практически не изменился, а при 5 % уменьшился в 1,41-1,89 раза. Зависимости v = f (I) показаны на рис. 6, а и 7, а соответственно. При фильтрации суспензии через образцы с содержанием доломита 3 % был зафиксирован вынос частиц глины при градиенте напора «7», «9» и «10» для коэффициентов уплотнения 0,91…0,92; 0,94…0,95 и 0,98…0,99 соответственно, скорость потока суспензии при этом составляла 3,5…4,7 м/сут. При фильтрации суспензии через образцы с добавкой 5 % доломита при градиенте напора «10» вне зависимости от плотности их сложения скорость потока составляла 3,3-4,2 м/сут. а б Рис. 6. Зависимости v = f (I) для образцов песка с добавкой доломита 3 %: а - в исходном состоянии; б - после пропуска суспензии Fig. 6. Relations v = f (I) for sand samples with addition of dolomite 3 %: а - initial state; б - after clogging а б Рис. 7. Зависимости v = f (I) для образцов песка с добавкой доломита 5 %: а - в исходном состоянии; б - после пропуска суспензии Fig. 7. Relations v = f (I) for sand samples with addition of dolomite 5 %: а - initial state; б - after clogging Зависимости v = f (I) при фильтрации воды через модифицированные образцы песка с добавкой доломита показаны на рис. 6, б и 7, б соответственно. Заметим, что при повторном пропуске воды через образцы с добавкой 3 % доломита происходил активный вынос глинистых частиц при градиенте напора 0,25 и 0,5 при коэффициенте уплотнения грунта 0,91…0,92 и 0,94…0,99 соответственно. После выноса глины коэффициент фильтрации образцов вернулся к исходному значению, а на графиках появился скачок (см. рис. 6, б). Средние значения коэффициента фильтрации модифицированного песка с содержанием доломита 5 % вне зависимости от плотности его сложения изменяются незначительно и составляют 0,05-0,19 м/сут, т.е. за счет кольматации пор водопроницаемость образцов уменьшилась в 8…14 раз. Результаты экспериментов приведены в сводной таблице, где обозначено: Kcom - коэффициент уплотнения образцов, k0 - исходный коэффициент фильтрации, km - коэффициент фильтрации модифицированных образцов (после пропуска суспензии), n - отношение k0 / km, I0 - градиент напора суспензии при котором наблюдается выход частиц глины через нижний торец образца, vc - скорость потока суспензии при последнем значении градиента напора, i - критический градиент напора воды, при котором происходит вынос глинистых частиц из модифицированных образцов. Результаты экспериментов Experimental results Серия опытов Описание образцов Kcom k0, м/сут km, м/сут n I0 vc i 1 Песок 0,90…0,92 2,05 0,99 2,1 7 3,5-5,4 0,25 0,93…0,95 1,85 0,96 1,9 7 0,25 0,96…0,98 1,35 0,93 1,4 10 0,25 2 Песок, 3 % CaCO3 0,91…0,92 1,58 0,05 29,9 > 10 2,3-3,4 - 0,94…0,95 1,30 0,08 15,3 > 10 - 0,98…0,99 1,03 0,03 31,1 > 10 - Песок, 5 % CaCO3 0,91…0,92 1,11 0,03 38,5 > 10 1,9-2,3 - 0,93…0,95 0,67 0,03 25,9 > 10 - 0,98…0,99 0,42 0,03 14,7 > 10 - 3 Песок, 3 % CaCO3·MgCO3 0,90…0,92 2,01 1,45 1,4 7 3,5-4,7 0,25 0,93…0,95 1,81 0,41* 4,5 9 0,5 0,97…0,99 1,36 0,15* 8,9 10 0,5 Песок, 5 % CaCO3·MgCO3 0,91…0,92 1,45 0,19 7,7 10 3,3-4,2 - 0,94…0,96 1,21 0,12 10,0 10 - 0,98…1,00 0,71 0,05 14,3 10 - Примечание: * - значения коэффициента фильтрации при градиенте напора до 0,5. Выводы 1. Модификация исследуемого песка путем кольматации пор при фильтрации сапонитсодержащей суспензии для использования в накопителях отходов возможна при условии предварительного внесения в него добавок, вызывающих агрегацию глинистых частиц и способствующих их накоплению в порах, например, мела или доломита. 2. Кольматация пор глинистыми частицами в образцах с добавкой мела в количестве 3 % от массы сухого песка привела к снижению коэффициента фильтрации в 15…31 раз, с добавкой 5 % - в 15…39 раз. 3. Внесение доломита в песок оказалось не столь эффективным по сравнению с мелом, что объясняется более крупными размерами частиц и меньшей активностью. 4. Для достижения максимальной глубины кольматации пор в песке рекомендуется подавать сапонитсодержащую суспензию до его уплотнения и с градиентом напора, обеспечивающим скорость потока выше 3,5 м/сут, после чего проводить уплотнения слоя.

About the authors

A. L Nevzorov

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

Yu. V Saenko

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

A. M Shiranov

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

References

Statistics

Views

Abstract - 112

PDF (Russian) - 70

Refbacks

• There are currently no refbacks.