Инновационные ПФЭ для гидроизоляции полигонов ТКО

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. Желание действовать в рамках призывов об охране окружающей среды разбивается о сухие данные: в настоящее время в России только 5-7% от общего числа ТКО перерабатывается на специальных фабриках по переработке мусора. С точки зрения современного уровня развития науки и технологий в сфере обращения с ТКО, степень потенциальной переработки можно довести до 40 и более процентов.

Но это только теоретически возможный выход вторичного сырья, который на практике всегда ниже. Промышленная сортировка отходов предполагает обработку больших объемов отходов с достаточно большой скоростью, поэтому извлекается вторичного сырья всегда меньше, чем его содержится в отходах.

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод: миллионы тон отходов, не поддающихся дальнейшей сортировке и переработке, всё равно придётся размещать на полигонах ТКО. Не говоря о том, что требуется рекультивация уже закрытых (не действующих) полигонов. Также хотелось бы отметить, что специфика сбора и хранения ТКО в районах Крайнего Севера и ряда удалённых областей РФ, размещение отходов на полигонах остаётся на данном этапе безальтернативным. Это связано с отсутствием возможности переработки и вывоза ТКО к мусороперерабатывающим предприятиям в силу их удаленности и высокими затратами на их транспортировку.

Официальные полигоны отходов на сегодняшний день представляют собой область повышенного социального и экономического интереса. Для того чтобы не нанести вред окружающей среде и здоровью человека, отходы любых видов изолируются. Срок службы полигонов ТКО, в частности защитных экранов, определяется как периодом эксплуатации (заполнение полигона до проектной вместимости), что составляет 10-15 лет, так 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, на данный момент доступный для применения в строительстве полигонов ТКО, должен обладать следующими свойствами:

• Надежностью. Материал должен обеспечивать максимальную защиту от проникновения жидкости как в тело полигона, так и из него в окружающую среду. В идеальном варианте эта защита должна быть 100%, т.е. водопроницаемость ПФЭ должен стремиться к нулю;
• Долговечностью. Материал должен иметь длительный срок эксплуатации, сопоставимый со сроком службы объекта, применительно к полигонам ТКО не менее 45 лет и более;
• 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, антифильтрационный гидроизоляционный материал призван обеспечить максимальный уровень экологической и промышленной безопасности за минимальные деньги.

Антифильтрационные материалы можно разделить на:

• Традиционные: это асфальтобетонные, металлические, минеральные (естественные и искусственно насыпные), полимерные геомембраны.
• Инновационные: бентонитовые маты.

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

Виды противофильтрационных материалов:

Асфальтобетонные. К безусловным достоинствам асфальтобетонных материалов следует отнести их доступность и прочность. Основными недостатками является недолговечность: они не соответствуют критериям жизненного цикла полигона ТБО 45-100 лет, срок службы асфальтобетонного монолита в грунте составляет не более 20-25 лет, также высока трудоёмкость проведения работ, что в итоге приводит к значительному росту стоимости готового объекта.

Металлические. Металлическая гидроизоляция обладает высокой прочностью, водонепроницаемостью при больших давлениях воды и долговечностью при определенных условиях эксплуатации. Однако она дорогостояща и трудоемка. Поэтому применение металлоизоляции ограничено.

Минеральные. Основное преимущество их - долговечность. 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.

Полимерные геомембраны. Для антифильтрационной 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 пластин. 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. То же самое относится и к случаям механического повреждения. 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. 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 1 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, показатель водопроницаемости готового ПФЭ из геомембраны уступает ПФЭ из бентонитового мата до нескольких раз. В зависимости от местных условий и качества монтажа.

Как следует из данных сравнения, геосинтетики на основе бентонита являются на сегодняшний день наиболее оптимальным выбором при решении вопросов антифильтрационной защиты.

Бентонитовые маты обладают большей эффективностью в сравнении с традиционными материалами и позволяют проектировать и строить при условиях, недопустимых для использования традиционных материалов. Использование бентонитового мата при устройстве ПФЭ позволяет сократить затраты на устройство основания и рекультивационного слоя, гарантируя высочайший уровень эффективности при эксплуатации и кратчайшие сроки производства работ. 

Рисунок 1. Структура каркаса бентонитового мата.

Бентонитовые маты Bentizol обладают уникальным набором свойств, не свойственных традиционным материалам:

1. В первую очередь это свойство материала к самозалечиванию, т.е. самовосстановлению. При взаимодействии с водой природная бентонитовая глина увеличивается в объеме, самостоятельно восстанавливая гидроизоляционные свойства при механических повреждениях: проколах, прорастаниях корней. Пленка в данном случае получает неустранимые дефекты, приводящие к потере изоляционных свойств и протечкам.
2. 2) Высокие гидроизоляционные свойства: коэффициент фильтрации бентомата составляет 10^-11 – 10^-12 м/с. По величине утечек покрытие из бентонитового материала меньше глиняного в 470 раз, пленочного — в 4-11 раз. И чем больше в бентонитовом мате бентонита, тем лучше он впитывает воду. В продукции производителя Bentizol используется большой процент бентонитовых гранул собственного месторождения.

Таблица 2. Технические характеристики бентонитового мата BentIzol.

3. 
   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, бензины, масла различного рода, соляные и другие химические растворы.
4. 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.

Рисунок 2. Маркировочные монтажные полосы на бентонитовом мате BentIzol.

5. Бентонитовые маты морозостойки, выдерживают неограниченное количество циклов оттаивания-замораживания и гидратации-дегидратации, сохраняя гибкость при температуре до минус 75С. Могут применяться во всех микроклиматичиских районах, включая зоны вечной мерзлоты.
6. Бентонитовые маты обладают высокой прочностью, устойчивостью к разрыву и повреждениям. Выдерживают гидростатическое давление до 7 атмосфер, передвижение по ним тяжелой спецтехники при укладке.
7. В сравнении с противофильтрационным экраном из глинистых грунтов экран из бентонитовых матов позволяет увеличить вместимость полигона на величину от 30 до 55%. Благодаря этому уменьшаются удельные затраты на резмещение отходов на 1 м2 площади полигона за счет уменьшения толщины экрана основания и рекультивационного слоя и увеличения угла откоса насыпи до 1:3 и более.

Рисунок 3. Классически выполненная рекультивация в сравнении с конструкцией из современных материалов.

Рисунок 4. Увеличение объёма складирования ТКО при применении геосинтетических материалов.

8. Долговечность. Качество бентоматов не меняется с течением времени. Период эксплуатации бентонитовых матов не ограничен.

Несмотря на существование качественных гидроизоляционных материалов, обладающих таким высокими эксплуатационными характеристиками и хорошо себя зарекомендовавшими в Европе, в Российских СМИ регулярно появляются сообщения о выявленных случаях нарушения целостности гидроизоляции шламовых амбаров и полигонов отходов, повлекших за собой загрязнение почвы и подземных вод и, как следствие, ухудшение экологической ситуации. Для сравнения: в настоящий момент объем применения бентонитовых матов на российском рынке составляет около 2 млн. кв. метров в год, Европе — 50 млн. кв. метров.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод: при новом строительстве природоохранных сооружений, рекультивации старых применение бентонитовых матов является безальтернативным решением.