RU2039230C1

RU2039230C1 - Method to localize impurities in water-bearing horizons

Info

Publication number: RU2039230C1
Application number: SU5047375/03A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Культин; А.И. Рыбальченко
Original assignee: Всероссийский проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт промышленной технологии
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1995-07-09

Abstract

FIELD: mining, constriction. SUBSTANCE: in zone of impurities localization before their entering water-bearing horizon is filled with the impurities desorption solution. As a result of it sorption feature of rocks, holding water-bearing horizon is increased. EFFECT: method is used in mining, construction of underground storages to keep industrial wastes. 4 cl

Description

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при строительстве подземных хранилищ жидких промышленных отходов, проектирования и строительстве хвостохранилищ различных горноперерабатывающих предприятий, строительстве водозаборов подземных вод и других случаях, требующих проведения водоохранных мероприятий. The invention relates to mining and can be used in the construction of underground storage of liquid industrial waste, design and construction of tailings of various mining enterprises, the construction of groundwater intakes and other cases requiring water protection measures.

Наиболее близким к заявленному является способ, включающий ограничение движения загрязняющих растворов путем сорбции загрязнений, на породах зоны локализации. Основным недостатком известного способа является низкая надежность задержки загрязнений из-за естественной убыли фосфатов из зоны захоронения за счет их растворения и выноса естественным потоком подземных вод. Closest to the claimed is a method comprising restricting the movement of pollutant solutions by sorption of contaminants on the rocks of the localization zone. The main disadvantage of this method is the low reliability of the delay in pollution due to the natural loss of phosphates from the burial zone due to their dissolution and removal by a natural groundwater flow.

Известен способ локализации загрязнений в водоносных горизонтах путем ограничения их продвижения по водоносному горизонту и задержки в зоне локализации. Способ заключается в нагнетании в водоносный горизонт в зону локализации через скважины различных растворов для создания гидро, цементационных, глинистых, силикатных или других завес, преграждающих дальнейшее перемещение загрязнений по водоносному горизонту [2] Способ также не обеспечивает надежной локализации загрязнений в зоне локализации, так как с течением времени происходит перенаполнение зоны локализации загрязненными водами и обтекание ими завес или выход их на поверхность земли. There is a method of localizing pollution in aquifers by restricting their movement along the aquifer and delays in the localization zone. The method consists in pumping various solutions into the aquifer into the localization zone through the wells to create hydro, cementation, clay, silicate or other curtains that block further movement of pollution along the aquifer [2] The method also does not provide reliable localization of pollution in the localization zone, since over time, the localization zone is overfilled with contaminated waters and flows around the curtains or leaves them on the surface of the earth.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа локализации загрязнений в водоносных горизонтах с высокой степенью надежности задержки загрязнений в зоне локализации и исключение их дальнейшего перемещения по водоносному горизонту. The problem to which the present invention is directed, is to create a method for the localization of pollution in aquifers with a high degree of reliability of the delay of pollution in the localization zone and the exclusion of their further movement along the aquifer.

Задача решается за счет повышения сорбционно-емкостных свойств вмещающих пород водоносного горизонта в зоне локализации загрязнений. The problem is solved by increasing the sorption-capacitive properties of the host rocks of the aquifer in the zone of localization of pollution.

Заявленный способ предусматривает заполнение водоносного горизонта в зоне локализации загрязнений десорбирующим раствором до поступления в нее загрязненных подземных вод. При этом десорбирующий раствор готовят из воды этого же водоносного горизонта или какого-либо другого источника с добавками, зависящими от состава загрязняющего раствора. В частности, при необходимости защиты подземных вод от тяжелых металлов (например, меди, свинца, радиоактивных цезия, стронция и других металлов), находящихся в загрязняющем растворе, добавками могут быть различные кислоты и в том числе углекислый газ, образующий в воде при растворении угольную кислоту. Для сокращения затрат на приготовление десорбирующего раствора на основе углекислоты в качестве источника углекислого газа может быть использован дымовый газ, легко получаемый как продукт горения различных органических энергоносителей. При необходимости же защиты подземных вод от токсичных анионов (например, хлора, сульфатов, нитратов и других анионов) добавками в десорбирующий раствор могут быть различные щелочи, в том числе аммиак. После воды в зону возможного загрязнения после заполнения ее десорбирующим раствором с целью удаления этого раствора может производиться через скважину или каким-либо другим известным способом. В частности, удаление десорбирующего раствора из зоны локализации может происходить естественным путем за счет его вытеснения незагрязненной частью потока подземных вод, движущихся перед фронтом загрязненных вод через зону локализации под влиянием естественного гидравлического уклона подземных вод. The claimed method involves filling the aquifer in the area of localization of contaminants with a desorbing solution until contaminated groundwater enters it. At the same time, the stripping solution is prepared from water of the same aquifer or some other source with additives depending on the composition of the polluting solution. In particular, if it is necessary to protect groundwater from heavy metals (for example, copper, lead, radioactive cesium, strontium and other metals) that are in the polluting solution, the additives can be various acids, including carbon dioxide, which forms carbon in water when dissolved acid. To reduce the cost of preparing a carbon dioxide-based stripping solution, flue gas can be used as a carbon dioxide source, which is easily obtained as a combustion product of various organic energy sources. If it is necessary to protect groundwater from toxic anions (for example, chlorine, sulfates, nitrates and other anions), various alkalis, including ammonia, can be additives in the stripping solution. After water into the zone of possible contamination after filling it with a stripping solution in order to remove this solution can be produced through a well or in some other known manner. In particular, the removal of the stripping solution from the localization zone can occur naturally due to its displacement by the uncontaminated part of the groundwater flow moving in front of the front of the polluted water through the localization zone under the influence of the natural hydraulic slope of the underground water.

Применение перечисленных операций обуславливает появление следующих отличительных положительных признаков и свойств заявляемого изобретения:
предварительная подача в водоносный горизонт десорбирующего раствора и соответственно обработка им песчано-глинистых отложений, составляющих скелет этого горизонта, обеспечивает повышение сорбционной емкости этих отложений по отношению к загрязняющим веществам, попадающим в зону обработки. Например, при применении кислотного десорбирующего раствора происходит замена природных обменных катионов (натрия, калия, кальция и др.), содержащая на поверхности глинистых, слюдистых и полевошпатовых минералов, составляющих породы водоносного горизонта, на водородный катион десорбирующего раствора. Этот катион в свою очередь легко обменивается на катион металлов, содержащихся в загрязняющем растворе, когда они появятся в предварительно обработанной зоне водоносного горизонта. Таким образом, количество осаждаемых металлов из загрязняющего раствора в результате протекания ионообменных реакций значительно увеличивается по отношению к необработанным отложениям в соответствии с количеством вынесенных из них при обработке природных обменных катионов;
подача воды в зону возможного загрязнения после заполнения ее десорбирующим раствором способствует отмывке от него песчано-глинистых отложений и образованию нейтрального буферного слоя между десорбирующим раствором и загрязненным раствором, поступающим в обработанную зону. Без этого процесс сорбции загрязняющих веществ в обработанной зоне оказался бы существенно замедленным, так как загрязненный раствор, попадая в эту зону и смешиваясь с оставшимся десорбирующим раствором, оказался бы в условиях, скорее способствующих десорбции, чем сорбции;
в результате ионообменных реакций сорбированные на частицах породы загрязняющие вещества оказываются прочно связанными и практически недесорбируемы природными водами, т.е. дальнейшее распространение загрязнений вместе с потоком подземных вод устраняется;
обработка вмещающих пород десорбирующим раствором не ухудшает их фильтрационных свойств, что позволяет проводить ее малыми средствами и в больших объемах водоносного горизонта. Кроме того, в этом случае не нарушается естественный режим подземных вод и устраняются такие нежелательные последствия, которые возникают при применении противофильтрационных завес, как подпор подземных вод, заболочивание поверхности земли и др.The use of these operations leads to the appearance of the following distinctive positive features and properties of the claimed invention:
preliminarily supplying a stripping solution to the aquifer and, accordingly, treating it with sand and clay deposits that make up the skeleton of this horizon, provides an increase in the sorption capacity of these deposits with respect to pollutants entering the treatment zone. For example, when using an acid stripping solution, natural exchange cations (sodium, potassium, calcium, etc.) are replaced, containing on the surface of clay, micaceous and feldspar minerals that make up the rocks of the aquifer, with a hydrogen cation of the stripping solution. This cation, in turn, is easily exchanged for the cation of metals contained in the polluting solution when they appear in the pre-treated zone of the aquifer. Thus, the amount of deposited metals from the polluting solution as a result of ion-exchange reactions increases significantly in relation to the untreated deposits in accordance with the amount removed from them during the processing of natural exchange cations;
the water supply to the zone of possible contamination after filling it with a stripping solution helps to wash sand and clay deposits from it and the formation of a neutral buffer layer between the stripping solution and the contaminated solution entering the treated zone. Without this, the process of sorption of pollutants in the treated zone would be significantly slowed down, since the contaminated solution, falling into this zone and mixing with the remaining desorption solution, would be under conditions more likely to promote desorption than sorption;
As a result of ion-exchange reactions, the pollutants sorbed on the rock particles are firmly bound and practically non-desorbed by natural waters, i.e. further spread of pollution along with groundwater flow is eliminated;
treatment of the host rocks with a stripping solution does not impair their filtration properties, which allows it to be carried out by small means and in large volumes of the aquifer. In addition, in this case, the natural regime of groundwater is not violated and such undesirable consequences that arise when using anti-filtration curtains such as groundwater backwater, swamping of the earth's surface, etc. are eliminated.

применение углекислого газа для приготовления кислотного десорбирующего раствора позволяет получить ряд дополнительных положительных свойств в предлагаемом способе. К ним относятся: безвредность десорбирующего раствора; сохранность скелета вмещающих пород, что обусловлено слабым техническим взаимодействием с ним, по сравнению с такими десорбирующими растворами, как растворы соляной, серной и других сильных кислот; достаточно высокие десорбирующие свойства, одним из признаков которых является хорошая растворимость бикарбонатных и карбонатных соединений природных обменных катионов, возникающих в результате ионооменных реакций; относительная простота приготовления углекислого раствора, не требующая применения стойких в агрессивных средах материалов; низкая стоимость и широкая доступность углекислого газа; относительно простые требования по технике безопасности и др. the use of carbon dioxide for the preparation of an acid stripping solution allows to obtain a number of additional positive properties in the proposed method. These include: the harmlessness of the stripping solution; the safety of the skeleton of the host rocks, which is due to the weak technical interaction with it, in comparison with such stripping solutions as solutions of hydrochloric, sulfuric and other strong acids; sufficiently high desorbing properties, one of the signs of which is the good solubility of bicarbonate and carbonate compounds of natural exchange cations resulting from ion exchange reactions; the relative simplicity of the preparation of carbon dioxide, which does not require the use of materials resistant to aggressive environments; low cost and wide availability of carbon dioxide; relatively simple safety requirements, etc.

применение дымового газа для приготовления десорбирующего раствора основывается на представлении о повышенном в нем содержании углекислого газа, составляющем обычно 8-15% от общего объема. Наличие в дымовом газе углекислоты определяет тот же механизм действия десорбирующего раствора, содержащего растворенный дымовый газ, что и действие углекислотного раствора, но, конечно, при прочих равных условиях с меньшей интенсивностью протекания ионообменных реакций из-за пониженной концентрации углекислого газа в растворе. Но этот недостаток в масштабе времени реально протекающих природных процессов представляется несущественным и вполне компенсируется появляющимися достоинствами. К ним относятся: абсолютная дешевизна дымового газа как реагента для приготовления десорбирующего раствора; широкая доступность, поскольку могут быть использованы, после минимальной очистки, выхлопные газы от любого двигателя внутреннего сгорания; возможность создания мобильных и автономных передвижных установок по обработке почво-грунтов как в зоне водонасыщения, так и в зоне аэрации и др. the use of flue gas for the preparation of a stripping solution is based on the idea of an increased carbon dioxide content in it, which is usually 8-15% of the total volume. The presence of carbon dioxide in the flue gas determines the same mechanism of action of a stripping solution containing dissolved flue gas as the action of a carbon dioxide solution, but, of course, all other things being equal, with a lower rate of ion-exchange reactions due to the reduced concentration of carbon dioxide in the solution. But this shortcoming in the time scale of really occurring natural processes seems insignificant and is completely compensated by the emerging advantages. These include: the absolute cheapness of flue gas as a reagent for the preparation of a stripping solution; wide availability, since exhaust gases from any internal combustion engine can be used, after minimal cleaning; the possibility of creating mobile and autonomous mobile plants for soil treatment both in the water saturation zone and in the aeration zone, etc.

существенным достоинством способа является возможность его многократного использования в одном и том же объеме водоносного горизонта. В этом случае проведение десорбции в зоне, где произошло накопление загрязняющих веществ, через скважину и откачки получаемых растворов через ту же или другую скважину, позволит использовать один и тот же объем водоносного горизонта не только для очистки загрязненных вод, но и для получения растворов с высокой концентрацией десорбированных веществ, достаточной для рентабельной промышленной их переработки. a significant advantage of the method is the possibility of its multiple use in the same volume of the aquifer. In this case, the desorption in the area where the accumulation of pollutants through the well and pumping out the resulting solutions through the same or another well will allow the use of the same volume of the aquifer, not only for the treatment of contaminated water, but also for obtaining solutions with high a concentration of desorbed substances, sufficient for cost-effective industrial processing.

Выполнение способа поясняется на следующем примере. Известно, что предполагается поступление загрязненных вод с повышенным содержанием радиоактивных цезия и стронция в пористые водонасыщенные песчано-глинистые отложения, находящихся на глубине 40 м. Поступление загрязненных вод происходит вместе с естественным потоком подземных вод. Общий объем загрязненных вод составляет 2000 м³.The implementation of the method is illustrated by the following example. It is known that contaminated waters with a high content of radioactive cesium and strontium are supposed to enter porous water-saturated sandy-clay deposits located at a depth of 40 m. Contaminated waters enter together with the natural groundwater flow. The total volume of polluted water is 2000 m ³ .

Известно также, что в результате естественной сорбции загрязненных веществ на песчано-глинистых отложениях зона их распространения уменьшается по сравнению с зоной распространения закачных растворов и составляет 0,75 от последней, т.е. по этим данным загрязненная часть водоносного горизонта будет ограничиваться зоной распространения в нем 1500 м³ раствора. Кроме того, лабораторными и полевыми опытами установлено, что при обработке песчано-глинистых отложений углекислотным раствором их сорбционная емкость увеличивается в 2 раза по сравнению с естественной.It is also known that as a result of the natural sorption of contaminated substances on sandy clay deposits, their distribution zone decreases compared to the distribution zone of injection solutions and is 0.75 from the latter, i.e. according to these data, the contaminated part of the aquifer will be limited to the distribution zone of 1,500 m ^{3 of the} solution in it. In addition, laboratory and field experiments have established that when processing sandy-clay deposits with carbon dioxide, their sorption capacity increases by 2 times compared to natural.

Исходя из этих исходных данных, через скважину, пробуренную в зоне поступления загрязненных вод, подают сначала 250 м³ углекислотного раствора и затем еще 500 м³ раствора, насыщенного дымовым газом. Таким образом достигается обработка десорбирующим раствором зоны, ограниченной распространением 750 м³ раствора, т.е. зоны, где и будут осаждены и прочно закреплены загрязняющие вещества.Based on these initial data, through a well drilled in the contaminated water supply zone, first 250 m ^{3 of} carbon dioxide solution and then another 500 m ^{3 of} solution saturated with flue gas are supplied. In this way, the treatment with a stripping solution of the zone limited by the distribution of 750 m ^{3 of the} solution, i.e. areas where pollutants will be deposited and firmly fixed.

Приготовление углекислотного раствора с концентрацией углекислого газа в растворе в количестве 3-5 г/л ведется по какому-либо из известных способов, например, путем одновременной подачи в скважину воды и расчетного количества углекислого газа. В этом случае растворение газа будет происходить в процессе нисходящего движения водогазовой смеси в стволе скважины. Поставка газа осуществляется в газовых баллонах, всего по данному примеру потребовалось 20 баллонов углекислого газа. The preparation of a carbon dioxide solution with a concentration of carbon dioxide in the solution in an amount of 3-5 g / l is carried out by any of the known methods, for example, by simultaneously supplying water and a calculated amount of carbon dioxide to the well. In this case, gas dissolution will occur during the downward movement of the water-gas mixture in the wellbore. Gas is supplied in gas cylinders; in total, according to this example, 20 cylinders of carbon dioxide were required.

Приготовление раствора, насыщенного дымовым газом до концентрации 1 г/л, производится так же, как и углекислотного. Источником дымового газа служила ближайшая ТЭЦ, откуда газ поставлялся в баллонах, наполненных под давлением 150 атм. Всего потребовалось доставить по данному примеру 250 баллонов сжатого дымового газа. The preparation of a solution saturated with flue gas to a concentration of 1 g / l is carried out in the same way as carbon dioxide. The source of the flue gas was the nearest thermal power station, from where the gas was supplied in cylinders filled with a pressure of 150 atm. In total, it was required to deliver 250 cylinders of compressed flue gas according to this example.

Подача воды в обработанную десорбирующим раствором зону возможного поступления загрязненных вод по данному примеру происходила в результате естественного движения подземных вод, т.е. десорбирующий раствор вытеснялся из зоны обработки подземной водой, находящейся во смещающих породах между границей обработки и фронтом движущихся к ней загрязненной воды. In this example, the water supply to the treated desorbing solution zone of the contaminated water possible flow occurred as a result of the natural movement of groundwater, i.e. the stripping solution was displaced from the underground water treatment zone located in the displacement rocks between the treatment boundary and the front of the contaminated water moving towards it.

В результате выполненных операций объем загрязненного водоносного горизонта и соответственно подземных вод уменьшен в 2 раза. Кроме того, устранено последующее загрязнение подземных вод, связанное с движением его естественного потока через зону захоронения. As a result of the operations performed, the volume of the contaminated aquifer and, correspondingly, groundwater is halved. In addition, the subsequent pollution of groundwater associated with the movement of its natural flow through the burial zone has been eliminated.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает надежную канализацию загрязнений в водоносных горизонтах в выбранных зонах локализации и исключает их дальнейшее перемещение по водоносному горизонту. Thus, the proposed method provides reliable sewage pollution in the aquifers in the selected areas of localization and eliminates their further movement along the aquifer.

Claims

1. METHOD FOR LOCALIZING POLLUTIONS IN AQUARIUM HORIZONS, including restricting the movement of pollutant solutions by sorption of contaminants on the rocks of the localization zone, characterized in that solutions capable of desorbing are introduced into the localization zone before the contaminants enter it.

2. The method according to claim 1, characterized in that the stripping solution after filling it with a localization zone is removed from it.

3. The method according to p. 1, characterized in that as a stripping solution using a solution of carbon dioxide.

4. The method according to claims 1 and 3, characterized in that a flue gas solution is used as a stripping solution.