3.3 Защита природных вод от поверхностных источников загрязнения

Опыт эксплуатации горнодобывающих предприятий показывает, что наиболее экологически опасными объектами являются накопители промышленных стоков (хвостохранилища, шламохранилища, рассолосборники, пруды-накопители), на которые приходится до 70-80% всего объема загрязнений, выделяемых из поверхностных источников загрязнения.

Современные накопители промстоков (например, хвостохранилища обогатительных фабрик) представляют собой сложный комплекс гидротехнических сооружений, включающий системы гидротранспорта и гидроукладки промышленных отходов, осветления и отвода воды, а также системы оборотного водоснабжения, противо-фильтрационных устройств и т.п.

При проектировании, строительстве, эксплуатации и консервации накопителей промстоков обязательным условием является выполнение требований, регламентирующих хозяйственную деятельность человека в плане охраны окружающей природной среды. Например, решение об устройстве промстоков должно приниматься в каждом конкретном случае отдельно с учетом всех возможностей, исключающих загрязнение воздушной среды, питьевых и производственных источников воды и окружающих участков земли.

Использование под накопители промстоков естественных водоемов, рек и озер и их загрязнение допускаются только в исключительных случаях на основе специального обоснования их непригодности для промышленного водоснабжения, питьевых целей и для разведения рыб и других организмов, имеющих народнохозяйственное значение.

Защита открытых водоемов и водотоков, а также подземных вод от загрязнения предусматривает решение основного вопроса - предупреждение фильтрации агрессивной сточной жидкости (промстоков) через ограждающие сооружения (дамбы, плотины) и его основание или перехват инфильтрующихся вод путем дренажа оснований накопителей, дамб и плотин или других конструктивных решений.

Наиболее радикальным средством, применяемым для такой защиты, является создание противофильтрационных экранов, которые могут иметь естественное и искусственное происхождение.

В первом случае на месте будущего хранилища оставляют естественные отложения глинистого состава (глины, тяжелые суглинки) мощностью не менее 3 м. Такие естественные экраны используются для резервуаров чистой воды или накопителей слабоминерализованных, нетоксичных и химически неагрессивных стоков.

Искусственные противофильтрационные экраны могут выполняться из грунтовых (торф, суглинок, глина) и негрунтовь х (полимерные пленки, асфальтобитум) материалов. Исполнение их может быть различным. Наиболее просты в исполнении однослойные противофильтрационные экраны (рис.5.5, а, б, в). Многослойные экраны предусматривают применение одного и того же материала (рис.5.5, г, д) или нескольких материалов (рис.5.5, е, ж, з). Они могут включать также дренажные устройства (рис.5.5, г, д, е) [61J.

Искусственные глинистые экраны мощностью 0,3 м и более создаются путем послойной укладки и уплотнения глинистых грунтов до оптимальной плотности - влажности. К недостаткам глинистых экранов относятся:

Рекомендуемые материалы

Рис. 5.5. Противофильтрационные экраны хвостохранилищ:

а - однослойный глинистый; б - однослойный пленочный; в - однослойный асфальтовый; г - двухслойный глинистый; д - двухслойный пленочный; е -двухслойный пленочно-глинистый; ж - комбинированный из полиэтиленовой пленки; з - комбинированный из асфальтового покрытия; / - защитный слой грунта; 2 - уплотненный слой глинистого грунта; 3 - олиэтиленовая пленка; 4 - подстилающий слой песка; 3 - слой асфальтополимербетона или грунтовополимерной смеси; 6 - дренажный слой из сильнопроницаемого грунта; 7 - дренажная труба

в условиях строительства неизбежно появление трещин усыхания, следствием чего является резкое возрастание проницаемости экрана;

подверженность размыванию поверхностными водами, что требует создания специальной защиты из каменной наброски;

химическая деградация глинистых грунтов под влиянием агрессивных промстоков, приводящая к резкому (на порядок и более) возрастанию их проницаемости в сравнении с первоначальной. Например, в накопителе отходов обогащения калийных солей даже при мощности глинистых отложений 5-10 м уже через 1 - 2 года они полностью теряют свои экранизирующие свойства.

В целях улучшения противофильтрационных свойств грунтовых экранов и их сохранение в течение достаточно длительного времени, соизмеримого со сроком службы накопителей (не менее 15-20 лет), используют добавки к глинистым грунтам, улучшающие их пластические свойства и химическую стойкость (органика, бентонит, битумы, синтетические смолы, жидкое стекло, растворы солей, аналогичных по составу промстокам, поверхностно-активные вещества - ПАВ и т.п.). Однако широкого применения грунтовые экраны с добавками не нашли как из-за высокой стоимости, так и в силу неустойчивости к агрессивным средам. При создании комбинированных экранов в мировой практике доминируют глиноцементные смеси. Использование других добавок носит экспериментальный характер. Наиболее перспективными в качестве добавок на сегодняшний день считают различные ПАВ (например, амины), глины типа аттапульгина (в меньшей степени бентонита) и синтетические смолы, прежде всего, полиуретановые смеси.

Специфическим типом фунтовых экранов являются формирующиеся в процессе складирования отходов экраны из шламов - твердой фазы пульпы, сбрасываемой в накопители. Целенаправленное формирование таких экранов, основанное на управлении процессом складирования отходов, позволяет существенно снизить и даже полностью ликвидировать утечки жидкой фазы промстоков из накопителя. Они устойчивы к влиянию стоков, так как формируются в той же среде, и не требуется больших затрат на их формирование.

Управление процессом складирования отходов в этом случае должно осуществляться с начальных периодов эксплуатации хранилища промстоков. Кроме первоочередного замыва тонкими хвостами наиболее проницаемых участков ложа накопителя и устранения размыва фунтов, слагающих его дно и борта, такое управление предполагает также создание условий в процессе формирования экрана из шламов для быстрого и эффективного уплотнения осадка и сохранения токсичности экрана.

Широкое распространение в последние годы получили искусственные противофильтрационные экраны из пленочных покрытий. В этих целях используется широкая гамма синтетических пленок. Им свойственны следующие недостатки: сильная подверженность механическим повреждениям; трудности в обеспечении герметичности при больших площадях покрытий; высокая чувствительность к растягивающим усилиям (особенно по швам между соседними полотнищами пленки). Все это усложняет и удорожает строительство, требует высокой культуры ведения работ и, тем не менее, не гарантирует полной герметичности покрытия, особенно при большой площади хранилища промстоков. Поэтому самостоятельное использование синтетических пленок в качестве противофильтрационных экранов ограничено преимущественно резервуарами чистой воды и промышленных стоков, в том числе агрессивных, небольшой площади (в пределах нескольких тысяч квадратных метров). Пленки широко применяются в сочетании с грунтовыми экранами и систематическим дренажем, т.е. в комбинированных системах, устойчиво демонстрирующих высокую эффективность в самых разнообразных условиях. Комбинированные противофильтрационные экраны можно разделить на три группы, отличающиеся различным сочетанием основных элементов:

 Грунтово-пленочные экраны, в которых синтетическая пленка укладывается между двумя слоями слабопроницаемых глинистых грунтов с добавками цемента, смол, битумов, бентонита, цемента и других компонентов, усиливающих противофильтрационные свойства глинистых грунтов, одновременно выполняющих и защитную функцию по отношению к пленке. На практике наиболее распространены грунтовоцементные смеси.

 Грунтово-пленочные экраны с дренажем, в которых профильтровавшиеся через слой слабопроницаемого фунта и пленку загрязненные воды перехватываются дренажными устройствами. Пример из практики многослойного комбинированного экрана приведен на рис.5.6 Экран состоит (снизу вверх) из слоя проницаемого песка и слоя глины. В песчаных слоях выше и ниже пленочного покрытия укладывается система горизонтальных перфорированных труб, обеспечивающая сбор загрязненных вод. Комбинированные экраны с дренажем весьма надежны, несложны в исполнении, но имеют высокую стоимость и поэтому могут быть рекомендованы к реализации в наиболее ответственных случаях (агрессивные, высокоминерализованные и токсичные стоки).

Рис.5.6 Конструкция комбинированного экрана:

/ - хвосты; 2 - песчаный фильтр; 3 - перфорированная труба для сбора стоков; 4 - глинистый слой мощностью 30 см; 5 - слой песка мощностью 15 см; б - полихлорвиниловая пленка; 7 - слой песка мощностью 30 см; 8 - естественное основание; 9 - дренаж для сбора загрязненных вод, проникающих через пленку

Экраны с "капиллярным эффектом". Схема такого экрана представлена на рис.5.7 Конструкция покрытия двухслойная: снизу укладывается слой грубозернистого песка, выше - слой тонкозернистого (0,1 мм) песка толщиной, не превышающей высоты капиллярного поднятия. При инфильтрации осадков в верхнем слое формируется подвешенная капиллярная кайма, препятствующая просачиванию воды в нижний слой. Во избежание скопления значительного объема воды на поверхности слоя тонкозернистых песков, что может привести к ликвидации капиллярной зоны, выпадающие на поверхности экрана осадки перехватываются и отводятся с помощью системы дренажных труб.

Рис.5.7 Принципиальная схема экрана с "капиллярным эффектом" для предотвращения выщелачивающей инфильтрации:

1 - слой тонкозернистого песка; 2 - слой грубозернистого песка; 3 - трубчатые дрены для перехвата поверхностного стока; 4 - тело отвала

Идея использовать экранизирующий эффект капиллярной каймы в качестве противофильтрационного мероприятия впервые была реализована для предотвращения выщелачивающей инфильтрации на отвалах коммунальных отходов в США. В настоящее время экспе-риментируются многослойные капиллярные барьеры, представляющие собой частое и тонкое переслаивание тонко - и грубозернистого материала. В этом случае создается многоярусный капиллярный барьер, суммарное капиллярное давление в котором может "погасить" вертикальную фильтрацию даже при значительных (в несколько метров) глубинах воды в хранилище промстоков. Такие многослойные экраны наиболее надежны. Кроме того, число слоев экрана может быть дифференцировано для участков накопителя промстоков с различными глубинами - в зависимости от капиллярного давления подобранного материала. Защитные свойства "капиллярного" экрана могут быть существенно усилены одно - двухъярусным систематическим дренажем (например, в средней и нижней частях покрытия). Использование капиллярного эффекта является наиболее перспективным при создании относительно дешевых грунтовых противофильтрационных экранов, особенно для хранилищ опасных и агрессивных стоков.

Противофильтрационные устройства могут располагаться в теле и основании, в береговых примыканиях и в нижнем бьефе ограждающих дамб хранилищ. Противофильтрационные устройства в теле и основании ограждающих дамб обычно возводятся до начала складирования промстоков на полную проектную высоту хранилища наливного типа путем отсыпки тела из однородного слабопроницаемого грунта и устройством: экрана и зуба в основании; ядра или диафрагмы.

Береговые противофильтрационные устройства овражно-балочного типа обычно составляют единое целое с противофильтрационными устройствами ограждающих сооружений. Они выполняются в виде:

одиночной береговой вертикальной завесы, расположенной перпендикулярно к береговой линии;

вертикальной завесы или экрана на береговом откосе, расположенных параллельно береговой линии в сторону верхнего бьефа;

завесы комбинированного типа.

Береговые противофильтрационные устройства выполняют обычно из глинистых материалов в виде вертикальной завесы, врезанной в береговую фильтрующую толщу, либо в виде экрана, уложенного на откосе берегового склона.

Противофильтрационные устройства в нижнем бьефе ограждающих дамб применяют при сооружении хранилищ на водопроницаемом основании ограниченной мощности, когда залегающая под водоупором фильтрующая толща пород представляет собой область разгрузки фильтрационных потоков, движущихся через тело, основание и в обход ограждающего сооружения. С их помощью создается преграда для профильтровавшейся жидкости в целях ее аккумуляции и последующей перекачки в хранилище.

В тех случаях, когда уровень жидкости в хранилище превышает уровень грунтовых вод в берегах балки или на прилегающей территории, применяют противофильтрационные устройства в ложе хранилища. Так, для хвостохранилищ овражно-балочного типа они могут выполняться в виде:

кольцевой совершенной завесы, перерезающей всю толщу сильнофильтрующих грунтов (рис.5.8, а);

кольцевого экрана, прикрывающего сильнопроницаемые грунты береговой толщи (рис.5.8, б);

кольцевой комбинированной завесы на береговых склонах балки (рис.5.8, в);

пластового экрана, покрывающего всю смоченную поверхность части хвостохранилища (рис.5.8, г).

Рис.5.8 Противофильтрационные устройства хвостохранилищ балочно-овражного типа:

а - кольцевая совершенная завеса; б ч кольцевой экран; в - кольцевая комбинированная завеса; г - Пластовым экран; / - проектная поверхность хвостохранилища; 2 - дрены; 3 - кривая подпора грунтовых вод; 4 - противофильтрационные завесы; 5 - зеркало воды бытового фунтового потока; 6 - кривая депрессии; 7 – экраны

В необходимых случаях дополнительно устанавливается сопутствующий дренаж. Дренажные устройства играют исключительно важную роль в обеспечении надежной работы хранилищ и защите гидросферы от загрязнения фильтрующими стоками. Дренаж позволяет перехватить загрязненные воды, фильтрующиеся из хранилищ промстоков, повторно их использовать и обеспечить необходимые нормативные условия на окружающей территории. Обычно он устраивается в нижнем бьефе в комплексе с насосной станцией для перекачки дренажной воды обратно, например, в отстойный прудок хвостохранилища или в систему оборотного водоснабжения обогатительной фабрики. Перехватывающий дренаж располагают на пути движения фильтрационного потока и в зависимости от конкретных гидрогеологических условий выполняют в виде фронтальной дрены или в виде двух береговых дрен.

Пример организации перехвата промстоков при наличии фильтрующей дамбы показан на рис.5.9 [25]. В хвостохранилище площадью 7,4 км2 складируются хвосты горно-обогатительного комбината медного рудника. Основная дамба (2) создается намывом из твердой фазы пульпы (суспензии), причем крупность намываемого материала уменьшается к ядру дамбы. Такая дамба пропускает большие объемы жидкой (разы пульпы в нижний бьеф, где устраивается пруд-отстойник осветленной воды (3) с хорошей изоляцией основания. Низовая дамба (4) пруда-отстойника отсыпается из просеянных хвостов, но в ее конструкцию закладывается ядро из пластичного глинистого материала и каменная наброска на откосах. Эта дамба является практически водонепроницаемой. Осветленная вода из пруда-отстойника частично перекачивается насосной станцией (5) в систему оборотного водоснабжения или обратно в хвостохранилище. Другая (меньшая) часть осветленной воды через выпуск (6) сбрасывается в пруд-очиститель, где стоки проходят окончательную обработку известью для осаждения солей тяжелых металлов и нейтрализации кислой среды. Очищенная вода через выпуск (7) в глухой низовой дамбе пруда-очистителя сбрасывается в гидросеть.

Бесплатная лекция: "Экзистенциализм в литературе" также доступна.

Рис.5.9 Компоновка сооружений для складирования хвостов обогащения и очистки:

1 - хвостохранилище; 2 - фильтрующая дамба из хвостов; 3 - пруд-отстойник осветленной воды; 4 - дамба с глинистым ядром; 5 - насосная станция; 6 - отводы для сброса промстоков; 7 - пруд-очиститель; 8 - низовая глухая дамба

Дренажные устройства, сооружаемые в пределах ложа хранилища, выполняют в качестве разгрузочного и защитного дренажа. Разгрузочный дренаж служит для снижения напоров в основании хранилища, когда уровни воды в них превышают уровни грунтовых вод на прилегающей территории. Он обычно выполняется в виде сети горизонтальных дрен, объединенных в единую систему.

Защитный дренаж устраивают для защиты противофильтрационных экранов, укладываемых на дно и откосы хранилища, от выпирания грунтовыми водами в начальный период эксплуатации. Он выполняется в виде трубчатых дрен, песчаной присыпки, пластового или систематического дренажа, обеспечивающего необходимое снижение уровня грунтовых вод.

Хранилища после их заполнения до проектной емкости и прекращения намыва промстоков подлежат консервации. Под консервацией понимают комплекс технических, физико-химических, биологических и других инженерных мероприятий, способствующих сохранению массива намытых промышленных отходов в безаварийном состоянии для целей последующего промышленного, либо сельскохозяйственного использования. Ввиду того, что многие хранилища в течение многих лет могут оставаться потенциальными источниками загрязнения окружающей среды, в проекте их консервации необходимо предусмотреть комплекс мероприятий по защите окружающей среды от загрязнений. Например, обязательным условием при консервации хвостохранилища является полное исключение поступления в хвостохранилище поверхностного стока с вышерасположенной водосборной площади, а также сбор и отвод атмосферных осадков, выпадающих непосредственно на площади хвостохранилища. Для этого используют противофильтрационные экраны (из глинистого грунта или полимерной пленки) и сети водоотводных канав на всей площади хранилища. В тех случаях, когда возможна утечка промстоков из хвостохранилища, что приведет, безусловно, к загрязнению прилегающих территорий, предусматривает осушение хвостов от содержащейся в них поровой жидкости. Для этого обычно проводят дренаж, который может выполняться в виде одной магистральной дрены или разветвленной сети дренажа различных типов.