Инновационные противофильтрационные материалы

Автор: Яковлев В.А., технический директор "БентИзол"

Ежегодно на каждого жителя образуется от 200 до 300 кг коммунальных отходов, и эта цифра постоянно увеличивается.  По данным отечественного Госстандарта, образование ТКО в Российской Федерации оценивается 30-35 млн. т. в год.  Призывы к охране окружающей среды разбиваются о сухие данные: в России только 5-7% от общего числа ТКО утилизируется на специальных предприятиях.

С точки зрения современного уровня развития науки и технологий в сфере обращения с ТКО степень сортировки отходов (а значит, и их потенциального использования в качестве вторичного сырья) можно довести до 40% и более. Но только теоретически: это возможный выход вторичного сырья, практике он всегда оказывается ниже. Промышленная сортировка отходов предполагает обработку больших объемов отходов с достаточно большой скоростью, поэтому извлекается вторичного сырья всегда меньше, чем его содержится в отходах.

Отсюда можно сделать вывод: миллионы тон отходов, не поддающихся дальнейшей сортировке и переработке, всё равно придётся размещать на полигонах ТКО. И это не говоря  о том, что требуется рекультивация уже закрытых (недействующих) полигонов.  Также хотелось бы отметить специфику сбора и хранения ТКО в районах Крайнего Севера и в удалённых областях РФ, размещение отходов на полигонах остаётся безальтернативным. Это связано с отсутствием возможности переработки и вывоза ТКО на мусороперерабатывающие предприятия  в силу их удаленности и высоких затрат на их транспортирование.

Официальные полигоны размещения отходов вызывают повышенный социальный и экономический интерес. Для того чтобы не нанести вред окружающей среде и здоровью человека, отходы любых видов должны быть изолированы. Срок службы защитных экранов определяется не только периодом эксплуатации (заполнение полигона до проектной вместимости), что составляет обычно 10-15 лет, но и пассивным периодом, когда полигон закрыт и не принимает отходы. Длительность последнего определяется морфологическим составом отходов, климатическими условиями и другими факторами и, по различным оценкам, этот период колеблется от 30 до 100 лет.

Таким образом, любой гидроизоляционный материал, доступный для применения в строительстве полигонов ТКО, должен обладать следующими свойствами:

• надежностью. Материал должен обеспечивать максимальную защиту от проникновения жидкости как в тело полигона извне, так и из него в окружающую среду. В идеальном варианте эта защита должна быть 100%-ной, т.е. водопроницаемость противофильтрационного экрана должна стремиться к нулю;
• долговечностью. Материал должен иметь длительный срок эксплуатации, сопоставимый со сроком службы объекта, применительно к полигонам ТКО -  не менее 45 лет;
• безопасностью. Материал должен быть безопасным как для объекта, так и для окружающей среды;
• технологичностью. Технология применения материала должна быть простой, удобной и эффективной;
• экономичностью. Конечная стоимость материала с учётом технологии укладки должна быть экономически целесообразной. 

Иными словами, противофильтрационный гидроизоляционный материал призван обеспечить максимальный уровень экологической безопасности за минимальные деньги.

Противофильтрационные материалы можно разделить на две категории:

• природные:  минеральные (естественные и искусственно насыпные);
• искусственные: асфальтобетонные и из геосинтетических (пленочных, бентонитовых) материалов. 

Каждый из этих видов имеет свои преимущества и недостатки. Давайте их рассмотрим.

Виды противофильтрационных материалов:    

Минеральные материалы. Основное их преимущество - долговечность. Но применение минеральных глиняных экранов на фоне повсеместной доступности чревато отсутствием гарантии стабильности гидроизоляции. Связано это с тем, что экраны толщиной 0,5-0,8 м сложно уложить и уплотнить так, чтобы добиться равномерно низкого коэффициента фильтрации по всей площади. На откосах толщина такого экрана достигает 3-4 м. Кроме того, использование экрана данного типа требует устройства нескольких противофильтрационных слоёв с промежуточным дренированием. В итоге гидроизоляция данного типа становится дорогой и наименее эффективной.

Асфальтобетонные материалы. К безусловным достоинствам асфальтобетонных материалов следует отнести их доступность и прочность. Основными недостатками является недолговечность: срок службы асфальтобетонного монолита в грунте -  не более 20-25 лет, в то время как жизненный цикл полигона ТБО составляет 45-100 лет. Кроме того, высока трудоёмкость проведения работ, что в итоге приводит к значительному росту стоимости готового объекта.

Полимерные геомембраны. Для противофильтрационной гидроизоляции в последние годы широкое распространение получили геомембраны и полимерные плёнки – геосинтетики, сочетающие в себе практически нулевой коэффициент фильтрации, компактные размеры и устойчивость к агрессивным средам. Однако главным недостатком полимерных материалов является сложность монтажа и чрезвычайная зависимость от температуры окружающей среды. Мембраны требуют сварки в местах соединения полотен. Сварочное оборудование характеризуется высокой ценой и повышенными требованиями к квалификации персонала. К тому же работы по укладке материала возможно проводить только при положительных температурах. При отрицательных температурах мембрана становится хрупкой и легко разрушается. Соответственно, даже если монтаж мембраны в грунте произведён при положительной температуре, но выше точки промерзания, то при деформациях грунта неизбежно разрушение противофильтрационного экрана и утрата его свойств. Так же и при механических повреждениях происходит необратимая утрата изолирующих свойств экрана. Всё это делает практически невозможным использование материала в районах Крайнего Севера и на территориях, приравненных к ним. 

Бентонитовый мат. Данный вид относится к минерально-полимерным геосинтетическим противофильтрационным материалам на основе бентонита, он сочетает в себе долговечность минеральных материалов и технологичность полимерных. Структура каркаса бентонитового мата показана на рис.1.

Рис.1. Структура каркаса бентонитового мата

В силу того что бентонит является природным сорбентом и выполняет функции детоксикации, материал полностью безопасен как для окружающей среды, так и для объекта строительства. Монтаж материала не требует специальной квалификации персонала и дорогостоящего оборудования. Отсутствует зависимость от температурных режимов. Низкая стоимость материала позволяет существенно сократить капиталовложения в строительство, содержание и ремонт сооружений. К недостаткам материала можно отнести обязательное соблюдение режима хранения и транспортировки в условиях пониженной влажности.

В таблице приведены основные показатели различных видов гидроизоляционных материалов. 

Таблица 1. Сравнительная характеристика видов гидроизоляционных материалов 

*коэффициент фильтрации равен нулю только применительно к отдельно взятому листу; как правило, водопроницаемость готового противофильтрационного экрана из геомембраны в зависимости от местных условий и качества монтажа может быть в несколько раз выше, чем у экрана из бентонитового мата. 

Как следует из приведенных данных, геосинтетики на основе бентонита являются оптимальным выбором при решении вопросов противофильтрационной защиты.

Бентонитовые маты обладают большей эффективностью в сравнении с традиционными материалами и позволяют проектировать и строить в сложных  условиях.  Использование бентонитового мата при устройстве противофильтрационного экрана позволяет сократить затраты на устройство основания и рекультивационного слоя, гарантируя высочайший уровень эффективности при эксплуатации и короткие сроки производства работ.

Бентонитовые маты Bentizol обладают уникальным набором свойств, несвойственных  традиционным материалам:

• в первую очередь,  это свойство материала к самозалечиванию, то есть самовосстановлению. При взаимодействии с водой природная бентонитовая глина увеличивается в объеме, самостоятельно восстанавливая гидроизоляционные свойства при механических повреждениях: проколах, прорастаниях корней и в иных ситуациях, при которых пленочные материалы получают дефекты , приводящие к потере гидроизоляционных свойств и протечкам;
• высокие гидроизоляционные свойства: коэффициент фильтрации бентомата составляет 10^-11 – 10^-12 м/с. Величина утечек сквозь бентонитовый материал меньше, чем через глиняный, в 470 раз, и меньше, чем через пленочный, в 4-11 раз. И чем больше в бентонитовом мате бентонита, тем лучше он впитывает воду;
•  экологичность. Основной компонент гидроизоляционного материала - природная бентонитовая глина, позволяющая использовать материал для защиты почвы и грунтовых вод от воздействия химических вредных веществ: нефть и нефтепродукты, бензин, масла различного рода, соляные и другие химические растворы.
•  экономичность и простота укладки. Бентонитовые маты просты в установке и обслуживании, что совершенно исключает или сводит к минимуму возможность плохого или неверного монтажа или неправильных эксплуатационных действий. Поверхность для размещения матов не требует специальной подготовки. Укладка производится с помощью общедоступной строительной техники: автокраном и экскаватором. Скорость укладки составляет 10 000 м2 за восьмичасовую смену и не зависит от погодных условий. Опыт применения бентонитовых матов показал, что их укладка на 35% дешевле по сравнению с пленочными материалами;
•  морозостойкость. Бентонитовые маты выдерживают неограниченное количество циклов оттаивания-замораживания и гидратации-дегидратации, сохраняя гибкость при температуре до минус 75°С, и  могут применяться во всех климатичиских зонах, включая зоны вечной мерзлоты;
•  высокая прочность, устойчивость к разрыву и повреждениям. Бентонитовые маты выдерживают гидростатическое давление до 7 атм, в том числе передвижение по ним тяжелой спецтехники при укладке;
•  увеличение вместимости полигона (рис. 2,3). В сравнении с противофильтрационным экраном из глинистых грунтов  экран из бентонитовых матов позволяет увеличить вместимость полигона на 30-55% (за счет уменьшения толщины экрана основания и рекультивационного слоя и увеличения угла откоса насыпи до 1:3 и более). Благодаря этому уменьшаются  удельные затраты на размещение отходов на 1 м² площади полигона;
  
  

Рис.2. Классически выполненная рекультивация в сравнении с конструкцией из современных материалов




Рис.3. Увеличение объема складирования ТКО при применении геосинтетических материалов.

• долговечность. Качество бентонитовых матов не меняется с течением времени. Период эксплуатации не ограничен.

      Преимущества бентонитовых матов и успешный опыт их применения были высоко оценены технической рабочей группой, организованной в соответствии с  распоряжением Правительства РФ от 23.12.2014 № 1458 при разработке ИТС НДТ «Размещение отходов производства и потребления», и включены в число наилучших доступных технологий при создании противофильтрационных экранов при строительстве объектов размещения отходов. Документ был утвержден 15.12.2016, дата введения его в действие – 1 июля 2017 года.

2017-й – год Экологии в России. Запланировано строительство новых и рекультивация большого числа старых полигонов ТКО. Мы рассчитываем, что использование современных качественных материалов материалов и соблюдение технологий поможет надежно защитить природные богатства нашей страны.