Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах в целью защиты подземных вод от загрязнения (в районах складирования промышленных отходов)

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Исследование миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах в целью защиты подземных вод от загрязнения (в районах складирования промышленных отходов)"

I I

РГ6 од

/ гл * ? * 'Л л О

ГОССТРОЙ РОССИИ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНИКИС)

СКВАЛЕЦКИЙ Михаил Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛЕССОВЫХ ГРУНТАХ С ЦЕЛЬЮ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ( В РАЙОНАХ СКЛАДИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ).

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва, 1993.

ГОССТРОЙ РОССИИ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ НО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНИИИС)

На правах рукописи УМ 556.3:632.5

СКВАЛЕЦКИЙ Михаил Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛЕССОВЫХ ГРУНТАХ С ЦЕЛЫ) ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ( В РАЙОНАХ СКЛАДИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ).

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва, 1993.

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии геологического факультета Московского Государственного Университета имени

М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор геолого-минералогических наук

A.В.ЛЕХОВ

доктор геолого-минералогических наук

B.И.СЕРГЕЕВ

Официальные оппоненты: кандидат геолого-минералогических наук И.В.ГАЛВДКАЯ

доктор геолого-минералогических наук И. С. ПАНКОВСКИЙ

Ведущее предприятие: ВНИИ ВОДГЕО ГОССТРОЯ РОССИИ

Зо

Защита диссертации состоится1^" мая 1993г. в "часов на заседании специализированного Ученого Совета ПНИИИС по адресу:108058,г.Москва,Окружной проезд,18,м."Измайловский парк".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института ПНИИИС.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатями, просим присылать по адресу: 108058,г.Москва,ГСП,Окружной проезд,18.

Автореферат разослан '¿3" апреля 1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета ПНИИИС, канд.геол.-мин.наук

О.П.ПАВЛОВА

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки мероприятий направленных на уменьшение отрицательного влияния хвос-тохранилищ на подземные воды.

К настоящему времени процессы загрязнения подземных вод стали предметом специальных исследований по предупреждению, локализации и ликвидации опасности ухудшения качества подземных вод. По количеству загрязняющих веществ и масштабу негативного воздействия на геологическую среду приоритет в настоящее время несомненно принадлежит промышленности, в первую очередь горноперерабатывающей, в которой темпы производства твердых и жидких промышленных отходов, содержащих тяжелые металлы возрастают.

Решение проблемы охраны окружающей среды возможно при переходе к безотходным технологиям производства. Однако в ближайшее время такой переход в нашей стране маловероятен, так как для его осуществления потребуются огромные капиталовложения. Таким образом, в период перехода от существующих технологий к безотходному варианту возникает задача обеспечения минимального техногенного воздействия промышленности на окружающую среду , в том числе, на подземные воды, являющиеся важнейшим ее компонентом.

Цель работы заключается в выявлении закономерностей миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах зоны аэрации при полном водо-насьпцении для разработки и обоснования мероприятий по снижению интенсивности поступления загрязняющих веществ в подземные воды в районах промышленного загрязнения отходами горноперерабатывающего производства.

Для достижения названной цели в работе поставлены следующие задачи:

- изучить применимость существующих моделей гидрогеомиграции для описания миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах с выбором адекватной модели;

- исследовать поглощающую способность лессовых грунтов в отношении тяжелых металлов с учетом их структурных особенностей и оценить роль макронеоднородности в процессе массопереноса;

- определить основные миграционные параметры по выбранным моделям гидрогеомиграции с целью прогноза распространения тяжелых металлов в лессовых грунтах естественной структуры приведенных к квазиоднородному состоянию методами технической мелиорации;

- г -

- исследовать сорбционные свойства тампонажшх алюмосшшкат-ных гелей с целью повышения экранирующей способности лессовых грунтов гоны аэрации;

- разработать принципиальную схему проведения экспериментальных исследований миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах естественной структуры;

- разработать комплекс мероприятий по снижению промышленного загрязнения подземных вод в районах складирования отходов гор-но-перерабатывающего профиля.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые сформулирован подход к прогнозу миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах зоны аэрации, исходя из положения, чтобы минимально снизить загрязнение подземны вод. Эта предпосылка переносит рассмотрение миграционных процессов из водоносного горизонта в зону аэрации, что определяет принципиальную новизну подхода. Определена роль структуры лессового грунта в механизме массообмена при фильтрации технологических растворов, содержащих тяжелые металлы. Доказана возможность применения гетерогенно-блоковой модели для описания миграционных процессов.

Впервые подучены параметры миграционных процессов для алюмо-сшшкатных гелей, ' которые предложены для тампонажа макронарушений в лессовых грунтах. Показано, что применение гелеобразующих растворов может рассматриваться в качестве способа перевода лессового грунта зоны аэрации в квазигомогенное состояние, что дает возможность использовать в прогнозных решениях миграционные параметры, получаемые в лабораторных условиях на образцах грунта.

Установлены границы применимости микродисперсионной модели для ориентировочной оценки процессов миграции.

Впервые экспериментальным путем установлен диапазон скоростей фильтрации, которые могут использоваться при определении миграционных параметров в лабораторных условиях.

Практическое значение работы состоит в следующем.

Предлагается комплексный подход, позволяющий на основе полевых, экспериментальных, лабораторных исследований и теоретических расчетов прогнозировать процесс миграции токсичных элементов в грунтовых толщах различного состава и определить предельно допустимое время их использования при эксплуатации хвостохранилищ.

Оценена роль фильтрационной неоднородности в процессе массо-переноса и предложен способ ликвидации макронарушений структуры,

снижающих экранирующую способность грунтовой толщи, основанный на применении тампонажного гелеобразующэго раствора.

1

Реализация работа Внедрение результатов исследования осуществлялось с 1990 по 1992 год на ряде объектов горно-перерабатывающей промышленности. В частности при оценке защищенности подземных вод в районе хвостохранилища Алмалыкскогс ГОКа ( Узбекистан), где была выявлена роль фильтрационной неоднородности, определяемой структурными нарушениями лессовидных грунтов зоны аэрации.

Для хвостохранилища кучного выщелачивания Васильковского ГОКа (Казахстан) разработан проект противофильтрационного сорбирующего экрана как альтернативный вариант дорогостоящего пленочного экрана.

Разработки по экранирующей способности грунтов и искусственных экранов использованы в рекомендациях по защите подземных и поверхностных вод на участках хвостохранилгац сурьмодобывающих предприятий в г. Дубраво ( Словакия).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на Всесоюзной школе-семинаре "Геохимические барьеры и охрана геологической среды" (Москва, ВДНХ, 1989), на региональном совещании "Проблемы техногенного изменения геологической среды и охрана недр в горно-добывающих регионах" (Пермь, 1991), на заседании Лаборатории охраны геологической среды (Москва, 1992).

Публикации. По содержанию диссертационной работы опубликовано 7 научных статей. В основу диссертации положены материалы исследований, выполненных автором в ходе работы в Лаборатории охраны геологической среды (ЛОГС) и обучения в очной аспирантуре Геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова на кафедре гидрогеологии в период с 1989 по 1992 год.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, изложена на 158 страницах машинописного текста и содержит 37 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 128 наименований

Работа над темой осуществлялась под научным руководством доктора геолого-минералогических наук В. И. Сергеева и доктора геолого-минералогических наук А. В. Лехова, которым автор выражает благодарность за советы и творческую помощь.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу Лаборатории охраны геологической среды МГУ за большую научно-методическую помощь и постоянное внимание к работе при проведении полевых и лабораторных исследований.

- 4 -

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ГРУНТАХ ЗСЙЫ АЭРАЦИИ.

В разделе рассматриваются современные представления об обменной способности грунтов зоны аэрации, а также анализ математических моделей, предлагаемых в литературе для описания процесса распространения загрязнителей в пористых средах и грунтах естественного строения.

Научной основой изучения и прогноза миграции вещества в дисперсных грунтовых средах служит теория массопереноса, широко применяемая в физической химии, химической технологии, нефтегазовой гидродинамики и других отраслях.

Современные представления о миграции химических веществ в пористых естественных средах обобщены и развиваются Н.Н.Веригиным , Ф.М.Бочевером , А.Е.Орадовской, В.М. Шестаковым, В.А.Мироненко и другими исследователями. Среди зарубежных источников следует выделить работы Я.Еэра, Д.Заславски, С.Ирмея , Р.Коллинза, Х.Фрида, А.Е.Шейдеггера и др.

Фундаментальный обзор проведен Я.Бэром,Д.Заславским,С.Ирмеем. В работе рассмотрены различные теории гидродинамической дисперсии, формы граничных и начальных условий, теоретические и экспериментальные данные зависимости коэффициента дисперсии от скорости фильтрации и геометрических характеристик среды, приведены решения некоторых одномерных задач гидродинамической дисперсии.

На основе совместного рассмотрения уравнений фильтрации, диффузии и массообмена Н.Н.Веригин и Б.С.Шержу ков получили уравнение связи массовых концентраций вещества в жидкой и твердой фазах с молекулярной диффузией в пористых средах, параметрами дисперсии, проницаемостью, вязкостью жидкости и скоростью фильтрации.

В работах А.А.Рошаля на базе теоретических представлений о закономерностях массопереноса в горных породах и физико-химических процессах, определяющих эти закономерности, рассмотрены основные принципы постановки экспериментальных исследований. Изложены основные методы определения миграционных параметров и показана возможность диагностики условий применимости теоретических моделей.

Л.Лукнером и В.М. Шестаковым исследованы и описаны теоретические модели гидрогеомиграции, приведены аналитические и численные методы расчетов миграционных процессов. Особое внимание авторами было уделено переносу загрязнителей в гетерогенных средах и

- 5 -

развитию моделирования гидрогеомиграции.

В. А.Мироненко и В.Г.Румыниным рассмотрены теоретические и методические основы опытно-миграционных работ ô водоносных пластах, детально разработана методика проведения миграционных экспериментов.

При оценке скорости распространения ореолов загрязнения в водоносны* пластах, как следует из литературы, в ряде случаев пренебрегают процессами сорбции загрязнителей. Для лессовых разновидностей процесс сорбции оказывает существенное влияние на характер распространения таких загрязнителей, как тяжелые металлы.

Для количественного описания адсорбционного равновесия в целом был предложен ряд математических зависимостей, с помощью которых могут быть определены изотермы адсорбции для отдельных адсорб-тивов и адсорбентов в системе "жидкость-твердое вещество". Обобщение перспективных равновесных изотермических концепций дано в работах А.Е.Орадовской, В.А.Мироненко, Л.Лукнера, В.М.Шестакова, Г.Спозито, Huang С.Р., Voigt H.J., Yaron В.и др.

Работами немецких авторов Ermisch V.,R]ss С.A.M..Schuttler U. установлена следущая последовательность различных типов грунтов по их способности сорбировать тяжелые металлы: лессовидный суглинок, глина > мелоподобный мергель > глинистые гумусовые почвы > песчаные отложения. В свои очередь Ф.И.Тютюновой установлена зависимость от фракции зерен сорбировать такие тяжелые металлы, как медь, свинец, цинк: глинистый песок> тонкозернистый песок> грубозернистый песок.

Для математического описания миграционных процессов широко применяется схема микродисперсии, где среда предполагается квазигомогенной, без выделения каналов и блоков, т.е. гетерогенность фильтрующей среды на ней не сказывается:

dC dC dzC

п — + v-= D-

dt dx dir2

При линейной изотерме адсорбции рассматриваемая модель гидро-геомиграции будет справедливой, когда производится замена параметров п и D на эффективные коэффициенты. Такая замена предполагает, что процессы сорбции протекают мгновенно, по сравнению со скоростью распространения раствора, и являются равновесными. (Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е., Рошаль A.A., Шестаков В.М. и др.).

При движении в водоносных пластах, представленных глинистыми

песками, супесями и.т.п., где возможно проявление процесса сорбции, в условиях, когда коэффициенты фильтрации не превышают 1-2 м/сут, а градиенты потока составляют 0.01-0.001, такое допущение вполне справедливо.

Для лессовых грунтов, слагающих основания хвостохранилшц, безоговорочное применение данной модели не всегда допустимо, т.к. при коэффициентах фильтрации этой разновидности дисперсных грунтов порядка 0.01-1.0 м/сут, градиенты напора могут достигать 10.

Строение среды зоны аэрации в естественных условиях обычно принимается гетерогенно-блоковым ( В.М.Шестаков, И.К.Гавич, А.А.Рошаль, А.В.Лехов и др.), и породы считаются разделенными на блоки проводящими каналами, что определяет ее неоднородность на макроуровне. Массообмен в такой среде происходит конвективно-диффузионным путем, сопровождаемым явлением макродисперсии, обусловленной фильтрационной неоднородностью среды, а также массообменом между блоками и каналами.

Для этого варианта предложена модель гетерогенно-блоковой среды с двойной емкостью, где размеры блоков определяются сетью различного рода нарушений (трещины, кротовины, остатки корневой растительности,ходы червей и т.п.). Эта модель предполагает включение трех уровней протекания миграционных процессов. Однако ее использование для решения задач массопереноса должно учитывать специфику грунтовой толщи зоны аэрации в основании хвостохранилищ.

Из работы Н.Г.Карпенко,В.И.Сергеева следует, что расход фильтрующейся жидкости через различного рода нарушения в лессовых грунтах зоны аэрации может в "несколько раз превышать расход жидкости через основную массу грунта. Это означает, что при малой мощности зоны аэрации грунтовая толща в ее естественном состоянии вообще не может рассматриваться в качестве основания хвостохрани-лшца, т.к. при фильтрации через эти нарушения загрязнители практически не испытывают поглощающего влияния со стороны грунта.

В этой связи рассмотрение первого уровня протекания миграционных процессов, определяемого наличием различного рода нарушений ограничивающих блоки - нецелесообразно, т.к. предварительная подготовка грунтовой толщи в местах складирования промышленных отходов предусматривает ликвидацию данных нарушений методами технической мелиорации, либо созданием искусственных экранов(Ананьев В.П.)

После ликвидации макронарушений остается неясным вопрос, допустимо ли рассмотрение грунтовой толщи в качестве гетероген-

- т -

но-блоковой или гомогенной. В последнем варианте следует учитывать, что гомогенные (квазигомогенные) среды в отношении макроскопического протекания процесса проявляют гетерогенные свойства на микроуровне, которые обусловлены наличием "застойных зон", где жидкость неподвижна и массообмен вещества осуществляется только путем молекулярной диффузии.(В.С.Голубев.Л.Б.Дворкин, В.А.Миронен-ко, Ю.А.Чизмаджиев, Coats К. и др.). Наличие агрегатов и сложная структура порового пространства (Минервин A.B..Комиссарова H.H.) обуславливают низкое значение активной пористости л в лессовых грунтах при . высоком значении общей пористости, что не может не сказаться на процессе миграции загрязнителей. Для лессовых грунтов значение л может составлять не более 20-30% от величины общей пористости (Шимко Т.Г.,Пашков В.И..Шувалова Л.П.) (Рис.1).

Анализ литературного материала по вопросам миграции тяжелых металлов в дисперсных грунтах показал, что решение прогнозных задач возможно на основе создания моделей гидрогеомиграции с учетом структурных особенностей лессовых грунтов и кинетики взаимодействия, т.к. процесс сорбции преимущественно находится в диффузионной области из-за низкой активной пористости этих грунтов и их сложного микроагрегатного строения.

В этой связи целесообразно исследовать возможность применения модели гетерогенно-блоковой среды с сосредоточенной емкостью блоков, представлявшую собой систему слабопроницаемых агрегатов, прорезанных проводящими каналами, роль которых выполняет активная пористость.

На основании анализа литературного материала сформулированы цель и задачи исследования.

2.МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ ГРУНТОВ ЗОНЫ АЭРАЦИИ В ОСНОВАНИЯХ ХВОСТОХРАНИЛИЩ.

Методический подход к исследованию лессовых грунтов, слагающих зоны аэрации в основании проектируемого или действующего хвос-тохранилища, и претворяющей решение прогнозных задач миграции, показан в таблице 1.

Как видно из таблицы, моделированию гидрогеомиграционных процессов предшествуют исследования, включающие определение токсичных элеме нтов, содержащихся в стоках предприятий в количествах превышающих ВДК; изучение гранулометрического и минерального состава

Таблица 1.

Этапы исследований Вид исследований Результаты

Изучение состава сточных вод, отходов и подземных вод. Химический анализ Определение роли отдельных процессов.

Изучение состава и свойств пород зоны аэрации и водоносного пласта Определение минералогического и гранулометрического состава. Факторы определяющие процессы поглощения

Изучение строения пород зоны аэрации и водоносного пласта. Опытно-фильтрационные работы. Определение дифференцированной проницаемости

Изучение процессов физико -химического взаимодействия между сточными водами с породами зоны аэрации и подземными водами. Лабораторные исследования в статическом и динамическом режиме Определение сор-бционной способности грунтов и целесообразности дальнейших исследований.

Моделирование гидрогеомиграционных процессов Выбор адекватной модели и метода определения миграционных параметров Прогноз распространения загрязнения и обоснование защитных мероприятии.

грунтов зоны аэрации, их физико-химических свойств; экспериментальные исследования процессов взаимодействия грунтов с технологическими растворами.

Отличительной особенностью предлагаемой методики является определение дифференцированной проницаемости зоны аэрации на этапе изучения ее строения.

Под дифференцированной проницаемостью (ДП) понимается проницаемость грунтов в результате фильтрации через различного рода нарушений и остальную массу грунта. Для лессовых грунтов такое определение является обязательным, так как наличие фильтрационной неоднородности является для них характерным. Из литературы известно, что глубина развития макронарушений в лессовых грунтах достигает 4 метра.

Методика определения ДП основана на применении гелеобразующе-го силикатного раствора, с помощью которого из процесса фильтрации исключаются различного рода нарушения.

.. . Следующим важным моментом предлагаемой схемы является харак-

Рис.1. Модель сорбционно-миграционного процесса в дисперсных грунтах: • схема движенния раствора в порах (1 - поверхность частицы, контактирующая с движущимся раствором. 2 - пути движения раствора в поровом пространстве, активная пористость п0, ■'••■•'ч грунта, агрегат. 4 - связанная вода.

час-

АБСОРБЕР

ФИЛЬТРАТ

с (СО

НАС0С1 ИСХОДНЫЙ

С ДАВЛЕ- РАСТВОР

НИЕМ с' Сед.

Р,

С,а-шцеш-

' рцш XI-

ыячсеког« элемента (иеЭшенхя) > хсхоЭкш рапире

концентрация хнылч. элемент» в шслеЭом-тельных порция» фкмтрата

_^<«0

1 3 5 7 Рис.2. Принципиальная схема лабораторных исследований по определению сорбционных свойств грунта.

теристика грунтовой толщи по поглощающей способности в отношении тяжелых металлов, содержащихся в жидкой фазе промышленных отходов. Такая характеристика осуществляется на образцах грунта, отобранных на репрезентативных участках. В работе апробирована и рекомендуется схема определения поглощающей способности грунтов и определение их миграционных параметров, показанная на рис.2.

Дальнейшая система обработки данных основана на использовании уравнений, описывающих математические модели процесса гидрогеомиг-рации токсичных элементов в грунте, решение которых позволяет прогнозировать закономерности изменения концентрации загрязнителей в системе раствор-грунт.

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОРБЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ В ОТНОШЕНИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ.

Основной материал, используемый для экспериментального изучения сорбционных характеристик грунтов составляли лессовые грунты, отобранные на конкретных объектах, где решались вопросы экранирующей способности грунтовой толщи в основании хвостохранилищ, в их числе: 1) объединенное хвостохранилище Алмалыкского горно-металлургического комбината (ОХХ АГМК), используемое для отходов обогащения медных и свинцово-цинковых руд (Ташкентская обл.); 2) хвостохранилище Васильковского горно-обогатительного комбината (ГОК), которое планируется использовать для отходов золотоизвлекающего производства(Северный Казахстан).

Для количественной и качественной характеристики поглощающей способности лессовых грунтов в отношении тяжелых металлов, таких как Си, гп, СсЬ Мп, N1, а также для определения математической зависимости адсорбционного равновесия (изотерм сорбции) и определения области линейной зависимости концентрации в растворе и твердой фаг.е, были проведены лабораторные исследования в статическом и динамическом режимах.

Установлено, что для лессовых грунтов, наиболее оптимальным для определения предельной сорбционной емкости было принято соотношение грунт-раствор 1: 100 (5 грамм грунта на 500 мл раствора). Однако в области более низких исходных концентраций предельное, значение N может быть получено только при многократной регулярной смене раствора. С другой стороны, такая постановка эксперимента

- И -

Позволила наиболее детально проследить кинетическую сторону процесса сорбции и установить наиболее адекватную математическую зависимость адсорбционного равновесия.

С физико-химической точки зрения здесь можно выделить три фазы протекания процесса сорбции: 1) фазу интенсивной сорбции, соответствующую практически полному поглощению элемента при поддержании постоянной ионной силы раствора; 2) фазу замедления процесса сорбции, соответствующую частичному поглощению элемента, когда в остаточном растворе, предваряющем наступление равновесного состояния, содержится от 30 до 70% элемента; 3) фазу медленной сорбции, соответствующую насыщению грунта элементом и квазистационарному режиму процесса.

С изотермической точки зрения эти фазы характеризуются: линейной равновесной областью сорбции, описываемой изотермой Генри, переходной и нелинейной областью сорбции. В целом процесс удовлетворительно характеризуется нелинейной изотермой Лэнгмюра.В процентном отношении первая область составляет от 50 до 70% от значений предельной сорбционной емкости N. полученных для всех исследуемых грунтов в отношении изученных металлов(Рис.3). Анализ изотерм позволил в количественном отношении выявить следующую последовательность поглощения: Си>гп>Сс1>Мп.

Основные экспериментальные исследования проводились в динамическом режиме. Следует отметить, что эксперименты по изучению сорбции тяжелых металлов на образцах ненарушенной структуры в динамическом режиме при концентрациях растворов, соответствующих содержаниям в жидкой фазе отходов обогатительных предприятий, чрезвычайно длительны и не всегда реальны для выполнения в лабораторных условиях (время может измеряться месяцами, годами). В этой связи эксперименты проводились в 2 этапа: 1) с довольно высокими содержаниями металлов в растворе и скоростями фильтрации порядка 0.08- 0.22 м/сут, характерными для верхней части зоны аэрации в основании хвостохранилищ ; 2) с концентрациями, лежащими в области линейной изотермы Генри, при скоростях фильтрации в диапазоне от 0.05 до 0.93 м/сут с использованием многокомпонентных растворов с целью изучения зависимости влияния скорости на величину предельной сорбционной емкости.

Качественная интерпретация опытов, выполненных для изучения миграционных характеристик тяжелых металлов, позволила установить следующее: в начальной стадии взаимодействия ионов исследуемых тя-

желых металлов в растворе с грунтом в связи с интенсивным взаимодействием возникает отчетливое замедление переноса тяжелого металла по сравнению со скоростью движения воды в поровом пространстве. Мигрирующий компонент движется в I? раз медленнее, чем вода ( /? -пе /л .где пе и л - эффективная и активная пористости). Этот очень интенсивный массообмен между раствором и грунтом, согласно нынешнему уровню знаний, представляет собой, в основном, линейный процесс, который достаточно точно описывается и характеризуется количественно изотермой Генри ( уравнение равновесия) и заканчивается областью перегиба выходных кривых (Рис.М 4).

С гидрохимической точки зрения, массообмен в этом случае, представляет собой, главным образом, сорбцию на поверхностях твердого тела (грунта) и сколах зерен, включая обволакивающую их воду, причем кинетика перехода из свободной воды через связанную воду на поверхность грунта определяется общей сорбционной емкостью грунта в зависимости от его насыщенности тяжелым" металлом и количеством, так называемых- "высокоэнергетических свободных площадок", и характеризуется высокой- энергией связывания.

В области перегиба выходных кривых, когда начинает сказываться эффект насыщения грунта элементом, эта стадия заканчивается, и следует существенно более медленное, длительное поглощение элемента, что указывает на массообмен во внутренних структурах грунта. Эта стадия должна интерпретироваться с точки зрения протекания неравновесной сорбции.

Таким образом, повышение концентрации насыщения указывает на возрастание роли неравновесных процессов в ходе массообмена, которые протекают тем интенсивнее, чем выше исходная концентрация тяжелого металла в растворе. Поэтому в области низких исходных концентраций массообмен можно описать почти полностью с помошью линейной изотермы Генри, удобной для практического использования.

Сопоставление полученных величин сорбционной емкости позволила установить ту же количественную характеристику поглощения: си>гп>са>мп, аналогичную полученной в статическом режиме. При этом для последних трех элементов значение N в динамическом режиме в 2-5 раз ниже, чем в статическом, что можно объяснить, с одной стороны, влиянием скорости фильтрации на процесс сорбции, а с другой - конкурентным протеканием процесса, когда насыщение грунта контролируется одним из компонентов, в данном случае Си, и тем самым меняются условия равностного содержания других элементов в раство-

Рис.З. Изотермы сорбции тяжелых металлов в лессовых грунтах.

0.25 0.50 0.75 ¡>

Рис.4. Выходные кривые, полученные при фильтрации многокомпонентных растворов и диагностический график расчета миграционных параметров по гетерогенно-блоковой модели.

ре и поглощенном комплексе.

Установлено, что в ходе протекания процесса, наиболее активно сорбируемая медь частично вытесняет из грунта ранее сорбированные элементы, что обуславливает некоторое увеличение концентрации последних порядка С=1.05 выше исходных концентраций этих элементов на выходной границе, что указывает на взаимозависимый характер протекания процесса сорбции.

Для изучения конкурентности элементов при протекании процесса сорбции из многокомпонентных растворов, были поставлены эксперименты с доминирующим содержанием одного элемента (в данном случае Сс1) над другими в исходном растворе. Сопоставительный анализ значений N позволил составить следующий ряд количественного поглощения элементов: Си,СИ>йп>Мп, который отличается от ряда, полученного при равных значениях концентрации в эксперименте .Таким образом, можно констатировать, что при одновременной фильтрации ионов тяжелых металлов сорбция носит конкурентный характер, где значительное влияние на поглощение ионов тяжелых металлов оказывает доминирующая концентрация элемента, присутствующего в растворе.

4.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСССЛЕДОВАНИЯ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТАМПОНАЖНЫХ АЛШОСИЛИКАТНЫХ ГЕЛЕЙ

Возможность ликвидации фильтрационной неоднородности лессовых грунтов с помощью гелеобразующих растворов поставила вопрос об оценке их поглощающей способности в отношении тяжелых металлов.

Искусственными соединениями, близкими по составу к природным цеолитам, которые обладают высокой поглощающей способностью, являются гелеобразующие растворы на базе силиката натрия, широко используемые в практике технической мелиорации грунтов в качестве тампонажных растворов. Исследования фильтрационных свойств, устойчивости и сорбционной способности проводились на образцах щавеле-воалюмосиликатных гелей.

Несмотря на детальную изученность поведения гелей в различных средах, их фильтрационные свойства до настоящего времени были исследованы недостаточно.

Для изучения фильтрационных свойств и устойчивости гелей при фильтрации были проведены серии опытов с дистиллированной водой, растворами щелочи (МаОЯ) и кислоты №504).

Проведенные опыты свидетельствуют о том, что щавелевоалюмоси-

ликатный гель ведет себя неоднозначно при фильтрации через него различных нейтральных и агрессивных растворов. Наиболее устойчив гель по отношению к воде, а закономерное незначительное увеличение коэффициента фильтрации во времени до п*10~3 м/сут свидетельствует о перестройке структуры геля. Слабокислая среда сникает значения рН жидкой фазы геля, не разрушая структуры и не меняя его проницаемости, т.е. его буферная способность очень высока. Наименее устойчив гель по отношению к щелочным растворам.

Поскольку рН интрамицеллярной жидкости геля колеблется в пределах от 11.2 до 11.6 и разрушение геля происходит при рН больше 12, то область устойчивости геля находится в пределах рН от 1.8 до 12.0.

Адсорбционные свойства гелей, хотя и изучались, но это изучение не носило направленного характера, тем более для целей охраны подземных вод.

Поглотительная способность гелей в отношении тяжелых металлов изучалась на растворах их сульфатных солей в динамическом режиме. ( Табл. 2). Кроме этого были выполнены исследования по десорбции тяжелых металлов, поглощенных гелем, при фильтрации дистиллированной воды. Эксперименты по десорбции велись в течение 2 лет и показали, что в среднем до 80% сорбированного элемента остается в поглощенном состоянии.

Таблица 2.

Сорбционная емкость . N мг/см-1

Си Сс1 Мп N1 Ъп

5.5-5.9 2.5-5.Э 7.1-7.9 8.38 £.24

Десорбция , %

37 60 32 20 27

Таким образом, исследования показали, что, благодаря своим высоким технологическим и сорбционным свойствам, алюмосиликатные гели могут эффективно использоваться при повышении экранирующей способности лессовых грунтов зоны аэрации.

5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИГРАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ И РЕШЕНИЕ ПРОГНОВНЫХ ЗАДАЧ.

Аналитические расчеты миграции тяжелых металлов в грунтах зоны аэрации производились на основе принятых теоретических моделей этих процессов и влючали в себя две части:

1. Определение миграционных параметров.

- 16 -

2. Проведение прогнозных расчетов.

Массоперенос в гомогенной среде при наличии микронеоднородности рассматривается в работах К.Коэтса,Л.Б.Дворкина,А.А.Рошаля и др. Лабораторными методами характеризуется область пространства, соизмеримая с размерами исследуемого образца.

Согласно классификации М.В.Раца условий неоднородности по абсолютным размерам ее элементов, в образце породы проявляется третий и, в какой-то мере, второй уровни неоднородности, обусловленные, соответственно, неоднородностью состава и структуры собственно горных пород и естественных элементарных образований, слагаемых последними ( переслаиванием пород различного состава, наличием макропористости и макротрещиноватости и т.п.). Неоднородность второго уровня влияет на величину параметров, определяемых лабораторным методом только в том случае, если ее элементы присутствуют в исследуемом'образце.

Специфика экспериментов с лессовыми слабопроницаемыми грунтами, помимо их большой продолжительности, обусловлена тем, что в опытах с сорбируемыми компонентами следует учитывать кинетику процесса, в результате влияния микрогетерогенных свойств данных грунтов.

В ходе экспериментальных исследований , анализа и обработки полученных результатов установлено, что при определении миграционных параметров лессовых грунтов можно использовать гетероген-но-блоковую модель с сосредоточенной емкостью, которая описывается следующей системой уравнений:

сЮ ¿С* йС

пв « - + пв(1-- + V---О

<И <И йх

ас*

пе(1-х)--а (С - С")

М

где: зе- относительная пористость каналов ; С и С* - концентрация вещества в каналах и блоках; « - коэффициент массообмена.

Для определения миграционных параметров по выбранной модели использовалось решение в избражениях по Лапласу-Кареону. Методика обработки изложена в работах В.М.Шестакова ,А.В.Лехова и А.Л.Петрова, которая при непрерывном запуске компонентов представляется наиболее общей.

Доказательством применимости этой модели являются результаты

- 17 -

экспериментальных исследований.

В ходе оценки применимости модели были вычислены значения миграционных параметров и, соответственно, количественные значения коэффициента корреляции I? для диагностического графика и среднего квадратичного отклонения 5г экспериментальных кривых от теоретической функции. Комплекс выполненных расчетов показал, что Зг для этой модели находится в пределах 0.022-0.040.

Это позволяет перейти к прогноау изменения концентрации•вдоль пути распространения загрязнителя, для чего необходимо привести решение по гетерогенно-блоковой модели с двойной емкостью к виду: С - Г Гп.т; Г - ехр (- (Т[+Х)) * Г л к

где : Г - I X / п1 * I л / М п=0 к-0-

а( 1-ж)1 к ( а ае 1

V пв V

Это выражение позволяет перейти к расчету предельного времени работы грунтовой толщи или экрана заданной мощности,которая при машинной обработке находится с помощью итерационной процедуры:

Ле а * ае * .1пр

ГПР--( Т + - )

а V

В ходе экспериментальных исследований был проведен сравнительный анализ возможности использования модели микродисперсии с целью прогноза миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах. Расчеты были выполнены по одним и тем же экспериментальным кривым, полученным на образцах лессового грунта ненарушенной структуры для диапазона скоростей порядка 0.05-0.93 м/сут.

Установлено,что значения среднего квадратичного отклонения во всех экспериментах при 'использовании модели микродисперсии выше, чем при использовании модели гетерогенно-блоковой среды (Табл.3).

Таким образом, даже при низких значениях скорости фильтрации использование последней модели в прогнозных решениях для лессовых грунтов, несомненно, является более предпочтительным, по сравнению с моделью микродисперсии, где сорбционные процессы считаются равновесными и протекающими мгновенно. Это свидетельствует о необходимости учета кинетики сорбционного процесса при решении задач

Таблица 3

?88тмг?л V, и/сут ле ж 1%ут пв ьР/В'ут Эм

МПБ04 0.35 6.72 0.484 23.97 0.040 6.28 0.001924 0.042

ССБ04 0.35 13.00 0.435 23.65 0.029 10.87 0.002124 0.042

гпБ04 0.35 17.36 0.390 22.97 0.022 13.22 0.003114 0.029

Си504 0.35 100.38 0.351 17.58 0.028 82.60 0.004747 0.032

миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах, слагающих основания хвостохранилищ.

Реализация результатов изучения процесса миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах была осуществлена на строящемся хвостох-ранилище Васильковского ГОКа в Северном Казахстане.

Здесь для сброса отходов горнообогатительного комбината под-чготовдено'хвост.охранилище площадью 1.2 квадратных километра. В основании хвосФохранилища .залегают лессовидные суглинки при глубине грунтовых вод от 1 до 5 метров.

В ходе оценки проницаемости лессовидных суглинков путем наливов в чеки было установлено, что расход по различного рода нарушениям составляет 65-70% от величины общего расхода. Это не позволяет использовать потенциальную сорбционную способность грунтов и создает реальную угрозу загрязнения подземных вод.

В этой связи было апробировано использование тампонажного ге-леобразующего раствора и отработана технология его введения в грунт. Установлено, что для ликвидации фильтрационной неоднррод-ности на глубину 0.5 м , необходимо около 20 литров раствора на 1 м . В ценах 1986 года это составляло примерно 0.7 руб.

В грунтовой толще зоны аэрации, переведенной в квазиоднородное состояние, было определено предельно допустимое время эксплуа-тации(Тпр)с использованием решения по гетерогенно-блоковой модели.

При расчете« использовалась максимально возможная техногенная нагрузка по меди, т.к. именно этот элемент присутствует в отходах экспериментальной фабрики. Минимальная мощность грунтовой толщи выше уровня грунтовых вод, принятая в расчетах, составляла 0.5м, а максимально возможная скорость фильтрации 0.03 м/сут(Рис.4)

Расчеты показали, что после тампонажа макронарушений время эксплуатации хвостохранилища, в течение которого не будет наблюдаться проникновение меди в подземные воды, составит не менее 20 лет.

- 19 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследована специфика миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах, определяемая, с одной стороны, влиянием фильтрационной неоднородности на механизм массообмена, а с другой, влиянием структурных особенностей лессовых грунтов при взаимодействии с технологическими растворами.

Разработанная методическая схема позволяет прогнозировать пространственно-временное состояние перемещения и взаимодействия тяжелых металлов с лессовыми грунтами зоны аэрации в районах складирования промышленных отходов.

Выводы:

1. С учетом структурных особенностей лессовых грунтов наиболее адекватной является модель гетерогенно-блоковой среды с двойной емкостью, представляющая собой систему слабопроницаемых агрегатов, прорезанных проводящими каналами, роль которых выполняет активная пористость. Данная модель учитывает микронеоднородность среды и предполагает линейную кинетику протекания процесса сорбции.

2. Показано, что решение задач массопереноса по гетерогенно-блоковой модели, при выполнении временного критериального условия Ь*>10 куа, имеет асимптотику близкую к решению уравнения микродисперсии, которое позволяет при ориентировочной прогнозной оценки миграции тяжелых металлов в сложных по структуре лессовых грунтах использовать модель микродисперсии.

3. Оценена роль макронеоднородности в процессе массопереноса, где показано, что расход по различного рода нарушениям может достигать до 90% от общего расхода потока. Разработан способ перевода лессовых грунтов к квазиоднородному состоянию с помощью использования тампонажного гелеобразующего раствора.

4. В работе показано, что миграционные параметры, полученные в лабораторных условиях на образцах ненарушенной структуры, могут быть использованы в прогнозных оценках миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах зоны аэрации, при условии перевода среды к практически однородному состоянию путем тампонажа и исключения макронеоднородности из процесса фильтрации методами технической мелиорации грунтов.

5. В качестве тампонажного раствора предлагается применять алюмосиликатные гели, обладающие значительной сорбционной способ-ноностью в отношении тяжелых металлов. Благодаря своим высоким технологическим и сорбционным свойствам они могут эффективно ис-

пользоваться при повышении экранирующей способности лессовых грунтов зоны аэрации.

6. Выявлены основные закономерности миграции тяжелых металлов при их взаимодействии с лессовыми грунтами. В случае одновременной миграции тяжелых металлов в количественном отношении адсорбция снижается в ряду: Cu>Zn>Cd>Mn. При этом показано, что доминирующее содержание одного компонента изменяет протекание процесса, который носит конкурентный характер, ведущий к снижению сорбционных показателей других компонентов.

7. Разработана методика экспериментальных исследований миграции тяжелых металлов в лессовых грунтах, и методическая схема оценки и прогноза распространения тяжелых металлов в лессовых грунтах зоны аэрации (с использованием ЭВМ).

Материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Метод' оценки экранирующей способности грунтовой толщи в районах развития горно-добывающей промышленности (соавт.Сергеев В.И., Кулешова М.Л..Голубев И.И., ). В сб.: Проблемы техногенного изменения геологической среды и охраны недр в горно-добывающих регионах. Тезисы докладов регионального совещания.Пермь,1991,с.41-43.

2. Оценка защищенности подземных в районах складирования про-мотходов. (соавт. Свиточ H.A., Шимко Т.Г.). В сб.: Защита подземных вод от загрязнения в районах проектируемых и действующих хвос-тохранилищ. Москва, МГУ 1992, с.3-23.

3. Сорбция тяжелых металлов при фильтрации растворов солей через грунты ненарушенной структуры, (соавт. Сергеев В.И., Кулешова М.Л.). Там же. С.47-52.

4. Изучение процессов сорбции тяжелых металлов при их фильтрации через гель силикатного раствора.(соавт.Боткин С.Н., Лапиц-кий С.А., Малашенко З.П., Сергеев В.И., Шимко Т.Г.)Там же С.52-62.

5. Прогнозная оценка распространения тяжелых металлов грунтовых толщах и искусственных экранах, (соавт. Сергеев В.И., Шимко Т.Г.). Там же С.62-71.

6. Типологическое инженерно-геологическое районирование с целью оценки защищенности грунтовых вод (на примере хвостохранили-ща Алмалыкского комбината) (соавт. Свиточ H.A., Кулешова М.Л. Соколовский А.Т.). Там же, с. 123-141.

7. Basic models of hydromlgration In sorbtlon barriers. (Sergeev V., Let'ko V.) Acta geologica.N 49/1,Bratislava,1992.