1.3. Особенности накопителей различного назначения

Хвостохранилище – комплекс сооружений, предназначенных для складирования хвостов – тонкоизмельченной пустой породы, образующейся при обогащения руд на горнорудных предприятий. Хвосты поступают в хвостохранилище виде пульпы с отношением количества твердых минеральных частиц к воде, достигающим 1:15 – 1:30. Твердые частицы осаждаются, а осветленная вода отводится для повторного использования или сбрасывается в водоем. В состав хвостохранилища входят первичная дамба и дамбы последующих ярусов наращивания, противофильтрационные устройства, дренажи, водосбросные сооружения, системы гидротранспорта и пылеподавления.

Хвостохранилища относятся к намывным накопителям. Строительство выполняется в две очереди. В первую очередь возводят первичную дамбу, для чего используют вскрышные породы, местные грунты, а также хвосты. После заполнения первого яруса емкости складируемыми хвостами на намывном основании вдоль первичной дамбы со смещением оси в сторону емкости сооружают дамбу второго яруса, в т.ч. из отложившихся в емкости хвостов. Вслед за этим начинают замыв хвостами образованной емкости нового яруса.

Для отвода из хвостохранилища жидкой фазы складируемых отходов, а также с целью обеспечения устойчивости в них устраивают дренажи. В случае необходимости напорную грань первичной дамбы и ложе хвостохранилища или часть его, сложенную высокопроницаемыми породами, защищают противофильтрационными экранами. Возможно применение и более сложных противофильтрационных устройств, располагаемых в теле дамбы.

Хвостохранилище заполняют по двум основным схемам:

• пульпопровод располагают на гребне дамбы и хвосты укладывают от дамбы к бортам оврага;

• пульпопровод располагают на борту и хвосты укладывают от верховой части хвостохранилища к ограждающим дамбам.

При первой схеме в процессе намыва по всему фронту выпусков образуется пляж из наиболее крупных фракций пульпы, а мелкие фракции попадают в отстойный пруд. Это обстоятельство является благоприятным, так как способствует повышению устойчивости дамбы. К достоинствам первой схемы намыва относятся также возможность наращивания дамбы намывом из хвостов и оптимальные условия осветления воды в отстойном пруде. При укладке хвостов по второй схеме около дамбы образуется зона, сложенная из мелких фракций, а на пляже намыва в зимнее время пульпа может замерзать и образовывать наледи. Эту схему применяют только в том случае, если она дает существенный экономический эффект. При ее использовании в многоступенчатом хвостохранилище представляется возможность экранировать ложе мелкими фракциями хвостов и существенно снизить фильтрационные потери.

На хвостохранилище равнинного типа пульпопроводы иногда укладывают по всему периметру. Хвостохранилища занимают площади в сотни гектаров, а высота их после заполнения хвостами достигает десятков и даже сотен метров. Количество складируемых хвостов составляет десятки– сотни миллионов тонн.

Шламохранилище – комплекс сооружений, предназначенных для складирования мелкодисперсных и слабопрочных отходов обогатительных фабрик угольной промышленности, ряда производств цветной металлургии, химических и других заводов. Шламохранилища создают с применением насыпных дамб, возводимых из местных грунтов. Отходы подают в виде пульпы и замыв шламохранилища осуществляется по тем же схемам, что и хвостохранилища. Твердая фракция пульпы оседает в шламохранилище, вода после осветления направляется для повторного использования в водообороте.

В состав таких сточных вод могут входить токсичные загрязнения – серная кислота, цианиды, кадмий, свинец, никель и т. д.

Накопители производственных сточных вод – пруды-отстойники, пруды-испарители, аварийные бассейны, пруды для ливневых стоков – это сооружения создаваемые путем ограждения дамбами из местных грунтов, предназначенные для постоянного или временного аккумулирования сточных вод, их отстаивания, испарения, доочистки с целью дальнейшего использования в водообороте или перед выпуском в водоемы. Такие накопители имеются в системе водного хозяйства предприятий практически всех отраслей промышленности – химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, пищевой, целлюлозно-бумажной и т. д. В состав накопителей сточных вод входят дамбы, противофильтрационные устройства, дренажи и водосбросные сооружения.

В состав сточных вод часто входят токсичные вещества, миграция которых из накопителя чревата опасностью заражения окружающей территории и источников водоснабжения. Это обстоятельство обязывает уделять особое внимание противофильтрационным мероприятиям, обеспечивающим снижение фильтрационных утечек до допустимых размеров или полное их прекращение.

Золоотвалы – комплекс сооружений, предназначенных для складирования твердых отходов тепловых электростанций – золошлакового материала, состоящего из золы, улавливаемой в золоуловителях, и шлака. На территории Центральной Сибири золоотвалы являются наиболее распространенными накопителями.

В зависимости от рельефа местности устраивают золоотвалы указанных выше типов. По условиям складирования золоотвалы являются намывными сооружениями, возводимыми и эксплуатируемыми так же, как и хвостохранилища.

Золошлаковые материалы подают в золоотвалы гидравлическим способом в виде пульпы, но в последние годы применяют и сухое складирование. Твердые частицы отлагаются в процессе складирования, а осветленная вода собирается и направляется на использование в водообороте. Отложившиеся в отвале твердые частицы используют для возведения вторичных ограждающих дамб золоотвала.

Золоотвалы характеризуются непрерывным изменением во времени конструктивных и технологических параметров – действующего напора, контуров сооружения в плане, поперечных и продольных профилей ограждающих сооружений, материала дамб наращивания, мощности и физико-механических и геохимических свойств золошлаковых отложений, интенсивности намыва, рельефа и дна отстойного пруда и др. Золоотвалы располагаются, как правило, на малоценных землях, в неблагоприятных инженерно-геологических условиях.

При проектировании и строительстве золоотвалов важное значение приобретают вопросы экологии – предотвращение попадания загрязненных стоков в поверхностные водоемы и грунтовые воды, вопросы пыления складируемой золы и пылеподавления, сложные проблемы эксплуатации в суровых климатических условиях [ ]. Дефицит свободных площадей для размещения золоотвалов ведет к увеличению их высоты. Высота многих золоотвалов достигает 20-30 м и более. При дальнейшем наращивании ограждающих дамб соответственно повышается класс сооружения. При дефиците свободных земель золоотвалы размещают на площадках, расположенных выше отметок территорий жилой застройки, промышленных предприятий, других объектов, которые при этом попадают в зону возможного подтопления и затопления. В таких условиях особую ответственность приобретают проектирование и строительство защитных инженерных сооружений в комплексе с золоотвалами.

По данным МНПО "Ресурс", еще в 1990 г. от сжигания твердого топлива на отечественных ТЭС ежегодно образовывалось свыше 100 млн.тонн, а в отвалах было накоплено свыше 1,5 млрд.тонн золошлаковых отходов. Уровень их использования составлял 13-15 %, что значительно ниже уровня, достигнутого в других странах. Ситуация с решением этой проблемы в России к 2008 году изменилась несущественно.

Оценка перспектив развития топливно-энергетического комплекса России показывает, что в ближайшие годы производство электрической и тепловой энергии будет возрастать за счет сжигания на ТЭС твердого топлива. В связи с этим будет постоянно возрастать и актуальность проблемы складирования и утилизации золошлаковых отходов.

Исходя из прогнозируемого уровня выбросов твердых отходов тепловыми электростанциями, учитывая особое значение решения проблемы складирования и утилизации золошлаков для уменьшения и возможного устранения современных высоких нагрузок на экосистемы, можно выделить следующие приоритетные направления научных и проектно-конструкторских разработок:

• совершенствование конструктивно-технологических решений и улучшение эксплуатационных параметров золоотвалов для обеспечения их надежности и экологической безопасности, особенно в суровых климатических условиях;

• разработка сухих способов золоудаления и складирования золы в насыпные отвалы, проектируемые как экологически совершенные склады вторичных минеральных ресурсов;

• непосредственное использование золошлаков в строительстве;

• изучение свойств золошлаковых отходов, их паспортизация и сертификация;

• разработка новых технологий переработки золошлаков, в частности, с выделением из них редкоземельных элементов, металлов и других компонентов;

• разработка критериев токсичности и класса опасности золошлаков для обоснованного назначения природоохранных мероприятий на золоотвалах.

На территории Сибири некоторые золоотвалы находятся в предаварийном состоянии по ряду параметров (переполнение, неудовлетворительная работа водосбросов, отказы дренажей и противофильтрационных устройств, деформации дамб на слабых основаниях, несоответствие проектных решений сложным мерзлотно-климатическим условиям региона, технологические осложнения, связанные с гидроледотермическими и криогенными процессами, отсутствие КИА и систематических наблюдений).

Пылеподавление путем кратковременного повышения уровня воды в пруде и затопления пылящего пляжа, применяемое повсеместно, сопровождается усилением фильтрации в поверхностном слое тела дамбы и местными фильтрационными деформациями водонасыщенного низового откоса. Особенно опасным является совпадение сроков подъема уровня воды и начального этапа сезонного оттаивания – в этом случае фильтрационный поток кратчайшим путем через гребень дамбы поступает в оттаявший поверхностный слой на низовом откосе, подстилаемый пока еще мерзлым водонепроницаемым грунтом сезонномерзлого слоя. Двигаясь по этому наклонному водоупору, поток высачивается на поверхность откоса, что приводит к его избыточному водонасыщению и солифлюкционному оплыванию. В предельном развитии этот процесс может распространиться и на гребень дамбы, что создаст предпосылки для ее прорыва и вытекания водозоловой гидросмеси на прилегающую территорию. Опасные проявления такой формы фильтрационно-криогенного разрушения дамб наблюдались на золоотвалах Благовещенской ТЭЦ, Иркутской ТЭЦ-10 и других объектах.

Эксплуатация золоотвалов в суровых климатических условиях не только сопровождается сложностями, обусловленными воздействиями криогенных процессов, но и позволяет применять нетрадиционные способы борьбы с фильтрацией и пылением. Эти способы предусматривают использование льда и композитных льдозолошлаковых материалов для устройства экранов и пылеподавляющих покрытий. Такие покрытия могут многократно возобновляться ежегодно в конце зимнего периода (февраль-март); их толщина и скорость оттаивания регулируются нанесением теплоизолирующих быстротвердеющих пенообразующих материалов таким образом, чтобы разрушение покрытия совпадало по срокам с окончанием бездождевого периода активного пыления (в южных регионах Сибири – май–июнь; в Якутии и других районах эти сроки могут быть другими).

Комплексное загрязнение водоемов и подземного водного бассейна фильтратом из золоотвалов в отдельных случаях осложняется подтоплением области стока неэкранированными накопителями и коллекторами промстоков других производств (например, фильтрация из переполненных отстойников-накопителей ПО "Химпром" в Усолье-Сибирском поступает во внешний дренаж золоотвала Иркутской ТЭЦ-II, откуда фильтрат перекачивается в систему ГЗУ; в результате в стоках ТЭЦ появляются дополнительные токсичные компоненты, концентрация которых постоянно возрастает). Систематические наблюдения и контроль за такими комплексными загрязнениями не проводились, так как отсутствует координация между предприятиями, которым принадлежат взаимодействующие накопители.

Вытекание водозоловой смеси из золоотвалов сибирских ТЭС наблюдалось неоднократно и происходило по ряду причин; основными из них являются следующие:

1. Перелив воды через гребень в тех местах, где образовались осадочные либо морозные трещины, или на участках дамбы, где отметка гребня не была доведена до проектной или понизилась при осадке слабого (например, заторфованного) основания; своевременная компенсация таких трещин и осадок локальными подсыпками из неразмываемого грунта является наиболее простым и радикальным способом предотвращения переливов при своевременном обнаружении деформаций.

2. Фильтрационный выпор поверхностной сезонномерзлой корки на низовом откосе фильтрующей дамбы при отсутствии эффективного незамерзающего дренажа, когда вслед за отрывом мерзлого слоя от массива низового откоса происходит его быстрое разрушение с образованием сквозного прорана на всю высоту дамбы и выносом из золоотвала значительных объемов водозоловой смеси.

Наиболее характерными примерами такого разрушения, сопровождавшегося обширным загрязнением прилегающей территории и водоемов, являются золоотвалы Аркагалинской ГРЭС, Иркутской ТЭЦ-II (1988), Абаканской ТЭЦ (1989), Кызыльской ТЭЦ (1990), Благовещенской ТЭЦ (до 1992). В частности, потоки пульпы из прорана шириной 40–50 м на дамбе золоотвала Абаканской ТЭЦ распространились по ледяному покрову Красноярского водохранилища на расстояние до 4 км, на Иркутской ТЭЦ-II - до 2 км в направлении к Ангаре.

Основными источниками загрязнений окружающей среды являются неконтролируемая фильтрация, пыление, переливы водозоловой смеси через гребень и размывы дамб, поверхностные сбросы воды из отстойных прудов и комплексные загрязнения.

Все виды загрязнений в суровых климатических условиях существенно зависят от фильтрационно-теплового режима золоотвалов и криогенных процессов, которые необходимо учитывать и целенаправленно использовать для улучшения экологического состояния золоотвалов и обеспечения их надежной эксплуатации.