Полигоны отходов: как работает шпунт Ларсена

Разбираем, как шпунтовая стена локализует загрязнение и не дает ему распространяться через грунт и грунтовые воды.

В 2021 году в деревне Синьхэ уезда Тайчжоу китайской провинции Чжэцзян обследование площадки бывшей кустарной разборки электронного лома показало: концентрация свинца в верхнем слое почвы превышала норматив в 5,24 раза, стойких органических соединений (ПХБ) — в 28,3 раза, а в грунтовых водах свинец уже превышал допустимый уровень в 2,5 раза и продолжал двигаться в сторону соседних участков.

Прежде чем приступать к очистке, инженеры смоделировали пути миграции загрязнений в программе Visual MODFLOW и спроектировали противофильтрационную стену длиной 50 м, шириной 2 м и высотой 3 м. Через полгода непрерывного контроля концентрация свинца в контрольных скважинах опустилась ниже норматива и держалась стабильно, кадмий и шестивалентный хром перестали определяться вовсе — барьер сработал именно так, как предсказывала модель.

Почему локализация важнее очистки

Это частный случай общей инженерной логики: экологическая авария — это не только источник загрязнения, но и система его распространения через грунтовые воды, инфильтрацию, поверхностный сток или соседние водоносные горизонты. Поэтому первой задачей становится не очистка, а локализация — устройство замкнутого контура, который останавливает миграцию, пока с загрязнением работают.

Для этой задачи по всему миру чаще всего применяют именно стальной шпунт — не потому что альтернатив нет, а потому что он сочетает три вещи одновременно: быстрый монтаж, управляемую герметичность замковых соединений и возможность впоследствии извлечь конструкцию, не оставляя барьер в грунте навсегда. Как отмечается в материалах Geoengineer.org, посвящённых противофильтрационным барьерам, задача подобной стены — контроль движения загрязняющих веществ и предотвращение их миграции за пределы опасной зоны; там же уточняется, что герметичность обеспечивается не столько прочностью самого профиля, сколько качеством каждого отдельного замкового стыка по всей длине ограждения.

Операция по созданию противофильтрационной стены из бентонита (Румер и Райан, 1995, в изложении Эванса, 1995). Источник - https://www.geoengineer.org

Производитель ArcelorMittal напрямую указывает стальной шпунт в числе решений для конверсии полигонов, рекультивации загрязненных грунтов и локализации загрязнений. А немецкая компания DAS EE использовала именно стальную шпунтовую стену при рекультивации бывшей химической площадки: десятилетия производства оставили в грунте хлорированные углеводороды и металлы, и загрязненный участок был отделен шпунтом, внутри которого смонтировали скважины для откачки и очистки воды на месте. Об этом читайте ниже.

Стоит отдельно сказать про пластиковый (ПВХ) шпунт — его тоже применяют для локализации загрязнений, и не случайно: материал химически инертен, не коррозирует в кислой или агрессивной среде и не выделяет ничего в грунт сам по себе. Но несущая способность и глубина погружения у него заметно ниже, чем у стали, поэтому на практике пластиковый шпунт — решение для неглубоких и облегченных контуров, а не замена стали там, где нужна прочность на протяженных или глубоких ограждениях.

Шпунтовая стена в таких проектах работает как заслонка — она физически не даёт загрязнению пройти дальше, пока идёт откачка, очистка или вывоз грунта. Это не химическое решение проблемы, а инженерное: загрязнение не убирается стеной, а останавливается его распространение, чтобы дальше можно было спокойно работать внутри контролируемого контура.

Может ли стальной шпунт защитить от протечек?

Есть и другая задача — не допустить утечки там, где загрязняющие вещества хранятся годами и десятилетиями. Это работа полигонов отходов.

Главная опасность полигона — фильтрат, жидкость, образующаяся при прохождении осадков через массив отходов. В зависимости от состава свалки он может содержать тяжелые металлы, аммонийные соединения, нефтепродукты, органические загрязнители, хлориды, сульфаты и токсичные промышленные компоненты — и без надежной изоляции способен уходить в грунтовые воды на значительные расстояния от источника.

Для повышения герметичности ограждений применяются:

• Герметизация замковых соединений
• Специальные уплотняющие составы
• Полимерные системы защиты
• Сварка замков
• Комбинированные барьерные конструкции

Реальность подобных проектов хорошо видна на примере прибрежных полигонов Японии, где культура размещения свалок на насыпных территориях у моря делает герметичность барьера особенно критичной.

В исследовании, опубликованном в Journal of Material Cycles and Waste Management, разбирается методика оценки локальных протечек фильтрата именно через замковые стыки стальных трубошпунтовых противофильтрационных стен. То есть отраслевая наука занимается не общей эффективностью барьера как целого, а поведением каждого конкретного шва по отдельности.

Очистка сточных вод под химическим заводом: кейс Германии

Немецкая компания DAS EE занималась рекультивацией бывшей химической площадки. Десятилетия производства оставили в грунте хлорированные углеводороды и металлы.