Politechnika Wrocławska Wrocław

Wydział Geoinżynierii

Górnictwa i Geologii

REFERAT

Temat: System barier izolujących podziemne składowiska odpadów.

Celem zabezpieczenia przed negatywnym oddziaływaniem składowiska na otoczenie jego lokalizacji stosować należy szereg barier zabezpieczających. Indeksacja wykracza poza normy techniczne dziś obowiązujące lecz ich identyfikacja przy programowaniu kompleksowej gospodarki odpadami stwarza możliwość optymalizacji zamierzanych działań. Rodzaj odpadów przewidywanych do składowania decyduje o typie wysypiska a tym samym o rodzaju koniecznych barier zabezpieczających.

W podziemnym składowisku odpady izolowane są od środowiska wielostopniowym systemem barier. Bariery są to fizyczne przeszkody uniemożliwiające przenikanie uwalniających się substancji szkodliwych do biosfery, a mówiąc ściślej opóźniające
i spowalniające ich migrację - wymywanie.

Zadaniem barier izolujących jest spełnianie następujących funkcji:

• Opóźnienie czasu dotarcia wód podziemnych do odpadów,

• Spowolnienie uwalniania substancji szkodliwych,

• Odprowadzanie energii cieplnej, np.: w przypadku odpadów radioaktywnych.

Gromadzone pod powierzchnią ziemi odpady nie mogą być wybuchowe, samozapalne, gazonośne ani promieniotwórcze. Muszą mieć postać materiału stałego, czyli nie mogą zawierać wody. Nie mogą wydzielać gazów szkodliwych oraz lokowane być muszą w odpowiednich pojemnikach. Podstawową ideą podziemnego składowiska tego typu odpadów jest ich trwała izolacja od biosfery. Realizowana jest ona poprzez tworzenie systemu wielobarierowej izolacji.

System ten składa się z barier naturalnych, do których zaliczane są warstwy nieprzepuszczalne, stanowiące calizny ochronne ze skały macierzystej i nieprzepuszczalne otuliny zewnętrzne oraz barier sztucznych, czyli specjalnych opakowań odpadów, otamowań wewnątrz składowiska, z materiałów sztucznych i naturalnych. Jednakże w praktyce warunek trwałej izolacji niebezpiecznych odpadów od biosfery może być spełniony tylko przez niektóre, korzystnie usytuowane i wykształcone złoża soli, w których wykonano wyrobiska w odpowiedniej strukturze przestrzennej. Wyjątkowo składowisko odpadów niebezpiecznych zakładane jest w niesolnej, szybowej kopalni, i to w odniesieniu do pojedynczego odpadu. Prof. Kłeczek podkreśla, że szybowa kopalnia soli, która ma być przeznaczona na składowiska odpadów niebezpiecznych, musi być zlokalizowana w złożu spełniającym warunek trwałej izolacji wyrobisk kopalnianych od wód podziemnych. Muszą wszak być spełnione podstawowe warunki. Złoże soli musi się charakteryzować jednorodnością oraz brakiem ciągłych przewarstwień łatwo rozpuszczalnych soli potasowo- magnezowych, które mogłyby ułatwić migrację wód podziemnych. Usytuowanie kopalni w złożu musi uwzględniać pozostawienie odpowiedniej grubości calizn ochronnych. Złoże musi znajdować się na znacznej głębokości ( najlepiej większej niż 500m.), na której skała solna zachowuje się plastycznie pod wpływem ciężaru nakładu, co jest korzystne dla trwałego, samoczynnego zaciśnięcia komór składowych i uszczelnienia wszystkich, wewnętrznych otamowań.

• DO BARIER SZTUCZNYCH MOŻNA ZALICZYĆ:

• Postać w jakiej odpady są składowane, np.: zestalona mieszanina z udziałem substancji utrudniających wypłukiwanie czynników szkodliwych,

• Opakowanie odpadów (pojemniki stalowe, dodatkowe wykładziny i materiały wypełniające),

• Wypełnienie wolnych przestrzeni między pojemnikami a calizną wyrobiska (otworu), w którym są one zdeponowane; może to być np.: rodzaj podsadzki samozestalającej,

• Tamy, wykładziny, zamknięcia, itd.

Składowanie odpadów jest techniką utylizacji obecnie stosowaną najczęściej, tyczy się to zarówno odpadów komunalnych jak i przemysłowych. Zgodnie
z obowiązującym w Polsce prawem oraz z Dyrektywą UE, składowiska odpadów muszą spełniać wiele kryteriów.

Wśród podstawowych wymagań należy wymienić odpowiednią lokalizację, która charakteryzować winna się naturalnymi korzystnymi warunkami geologicznymi
ze szczególnym uwzględnieniem parametrów hydrogeologicznych. Odpowiednia lokalizacja powinna między innymi zapewniać występowanie w górotworze naturalnej warstwy izolacyjnej zwanej barierą geologiczną, której zadaniem jest zabezpieczenie środowiska wodno-gruntowego przed ewentualnym zanieczyszczeniem.

W przypadku składowisk zawierających odpady niebezpieczne naturalna bariera geologiczna charakteryzować powinna się miąższością większą niż 5 m oraz współczynnikiem filtracji k=10^-9 m/s. Dla składowisk odpadów zawierających odpady inne niż niebezpieczne wymagana miąższość takiej warstwy powinna być większa niż 1 m przy zachowanym współczynniku filtracji k?10-9 m/s. Bariera geologiczna powinna występować nie tylko bezpośrednio na terenie składowiska ale również wykraczać poza jego teren. W przypadku braku naturalnej bariery geologicznej należy wykonać sztuczną barierę geologiczną.

Bariera sztuczna musi posiadać minimalną miąższość 0,5 m oraz przepuszczalność, którą ściśle zdefiniowano dla składowisk zawierających określony typ odpadów.
Dodatkowym zabezpieczeniem jest izolacja syntetyczna, która nie może być jednakże stosowana jako element stabilizacji zboczy składowisk. Zabezpieczenie środowiska wodno-gruntowego zapewnione może zostać tylko dzięki odpowiedniemu doborowi poszczególnych elementów składowiska.

Obecnie do standardów stosowanych podczas budowy składowiska należy wykonanie drenażu, warstwy zabezpieczającej barierę geologiczną przed zniszczeniem oraz bariery uszczelniającej (syntetycznej jaki i właściwej). Materiał z jakiego wykonane zostanie warstwa izolacyjna na składowisku dobiera się przede wszystkim w oparciu o dane dotyczące właściwości składowanych odpadów oraz warunków geotechnicznych. W chwili obecnej istnieje dość duży wybór materiałów, które z powodzeniem mogą być wykorzystane w celach izolacyjnych.

Do wykonywania barier geologicznych stosuje się różnego typu surowce, które można generalnie podzielić na wykonane z tworzyw sztucznych (geomembrany), takie gdzie wykorzystano materiały o charakterze mineralnym (wykładziny gruntowe) oraz kompozyty, w których stosuje się zarówno tworzywa sztuczne jak i materiały mineralne (wykładziny geosyntetyczno-ilaste GCL). Dominującym typem stosowanego dziś uszczelnienia są różnego rodzaju geomembrany, które pod postacią folii o różnych grubościach służą do uszczelnienia podstawy składowiska jak i jego przykrycia.

Wśród stosowanych tworzyw syntetycznych najczęściej użyteczny jest przede wszystkim polietylen szczególnie wysoko- gęstościowy (HDPE), polichlorek winylu (PCW) czy też polistyren oraz polipropylen.

Dobór tworzyw jako przesłon izolacyjnych przede wszystkim opierać powinien się na składzie chemicznym odcieków i ewentualnych reakcjach między nimi a przesłoną izolacyjną. Wiele związków chemicznych jest zdolnych do rozpuszczania tworzyw sztucznych, a co z tym związane do niszczenia tworzonych geomembran. Wśród materiałów o charakterze mineralnym stosuje się grunty mające charakter drobnoziarnisty i zawierające najczęściej minerały ilaste. Stosowane do tego celu grunty to przede wszystkim gliny oraz iły, w których współczynnik filtracji jest niższy niż k=10^-9 m/s. Często w tej grupie wśród materiałów izolujących proponuje się zastosowanie materiałów odpadowych charakteryzujących się również właściwościami izolacyjnymi, takich jak popioły pochodzące z procesów spalania węgli kamiennych czy też odpadowe muły węglowe. Wykładziny gruntowe charakteryzować powinna wysoka skuteczność w retencji odcieków jednocześnie przy dużej odporności na erozję, czynniki agresywne oraz odkształcenia. Wykładzina GCL charakteryzuje się budową warstwową. Zbudowana jest z zespolonej folii polimerowej
z warstwą odpowiednio przygotowanego bentonitu. Tak spreparowany kompozyt gwarantując wysoką szczelność stał się ostatnimi czasy bardzo popularny i często jest stosowany
w systemach uszczelnień składowisk odpadów. Współczynnik filtracji wykładzin GCL jest często niższy od k=10^-11 m/s. Wśród wymienionych rodzajów uszczelnień, zatrzymywanie odcieków jak i zawartych w nich zanieczyszczeń odbywa się na zasadzie czysto mechanicznej lub też dodatkowo w sposób aktywny.

Bariery o charakterze aktywnym powodują ograniczenie rozprzestrzenienia się zanieczyszczeń w wyniku różnego rodzaju reakcji chemicznych oraz zjawisk powierzchniowych. Spotykane są również propozycje tworzenia tzw. multi-barier, które zbudowane są z różnego typu materiałów często o charakterze odpadowym, charakteryzujących się bardzo silną aktywnością względem odcieków.

Wiele lat badań pozwoliło wykazać zarówno zalety jak i wady występujące
w przypadku zastosowania danego typu uszczelnienia. W ciągu ostatnich 15 lat nastąpił duży wzrost zastosowań geosyntetyków. Badania wykazują, że geomembrany stanowią bardzo dobry materiał izolujący w przypadku występującego przepływu adwekcyjnego, podczas gdy przy przepływie dyfuzyjnym ich przepuszczalność wzrasta. Podobnie rzecz się ma
w przypadku wykładzin typu GCL gdzie wzrostu przewodności hydraulicznej upatruje się głównie w związku z wymianą jonową zachodzącą w bentonicie, gdzie jony Na+ są wymieniane na jony Ca²⁺ . Dodatkowymi minusami geosyntetyków jest łatwość ich uszkodzenia oraz trudności technologiczne związane z odpowiednim ułożeniem uszczelnienia gwarantującym pełną szczelność. Do ewidentnych zalet należy natomiast odporność na procesy cyklicznego zawilgocenia oraz wysuszenia jak i zamarzania oraz rozmarzania.
W przypadku wykładzin mineralnych minusy związane są z częstym rozszczelnieniem się uszczelniania podczas zmian wilgotności oraz procesu zamarzania i rozmarzania. Spore trudności powoduje konieczność układania i zagęszczania wykładzin mineralnych przy stałej określonej wilgotności gruntu. Plusem natomiast jest możliwość samouszczelniania się oraz stosunkowo wysoka zdolność pochłaniania zanieczyszczeń zarówno organicznych jak
i nieorganicznych.

Nadzwyczaj istotnym elementem ograniczającym ilość odcieków docierających do bariery geologicznej, zarówno naturalnej jak też sztucznej, jest odpowiednio zaprojektowany drenaż. Żadna z form uszczelnienia nie może spełnić całkowicie swego zadania bez warstwy drenującej powyżej.

Przykłady barier sztucznych:

• Fakt wytwarzania odpadów promieniotwórczych, których dziś człowiek nie potrafi zniszczyć jest uciążliwy. Przechowywane są one więc w pojemnikach stalowych, prasuje z materiałami żywicznym i umieszcza na przykład w nieczynnych kopalniach lub specjalnych podziemnych składowiskach.

• Podsadzka samozestalająca stosowana w podziemnych wyrobiskach górniczych musi spełniać szereg wymagań fizyko-mechanicznych związanych z procesami technologicznymi oraz bezpieczeństwem pracy załóg górniczych. Dodawanie wód zasolonych nie może wpływać na pogorszenie podstawowych parametrów podsadzki samozestalającej. Podsadzka samozestalająca wytwarzana z drobnoziarnistych odpadów przemysłowych jest alternatywą dla klasycznej piaskowej podsadzki hydraulicznej, oparta jest na właściwościach wiążących wykazywanych przez popioły lotne. Mieszanina podsadzkowa po zestaleniu w otamowanym wyrobisku tworzy zwartą masę o pewnej wytrzymałości, zdolną do podpierania skał stropowych i przenoszenia obciążeń warstw nadległych. W porównaniu z klasyczną podsadzką hydrauliczną charakteryzuje się następującymi zaletami:

1. wykorzystuje drobno ziarniste odpady przemysłowe jako materiały podsadzkowe,

2. proces zestalania mieszaniny podsadzkowej odbywa się bez oddawania wody lub z niewielkim odpływem wody nadmiarowej,

3. pozwala na zagospodarowanie znacznych ilości słonych wód kopalnianych,

4. umożliwia zmianę kolejności wybierania warstwy grubych co jest szczególne istotne przy eksploatacji słabych, kruchych węgli skłonnych do samozapalenia.

Podsadzanie w tej technologii polega na przygotowaniu mieszaniny podsadzkowej na bazie, popiołów lotnych, odpadów poflotacyjnych, rozdrobnionej skały płonnej itp. oraz czasami innych materiałów wiążących. Niezbędnym wymogiem stosowania tej technologii jest wcześniejsze określenie własności mieszanin podsadzkowych w skali laboratoryjnej, potwierdzone później w warunkach dołowych w ruchu próbnym.

• Usytuowanie szybów kopalnianych oraz ich obudowa muszą umożliwiać wodoszczelne i trwałe zamknięcie ( poniżej poziomu wód podziemnych), po zakończeniu pracy składowiska. Do gromadzenia odpadów niezbędne jest wyodrębnione pole górnicze, w których zaprzestano eksploatacji. Składowanie odpadów w czynnym polu górniczym jest niemożliwe z powodu wzajemnego, negatywnego oddziaływania wydobycia soli i składowania odpadów ( wentylacja, roboty strzałowe, zagrożenie wodne). Pole składowania odpadów należy oddzielić od pola eksploatacji tamami, zaś wyrobiska poeksploatacyjne muszą wykazywać cechy stateczności i być dostępne dla oceny ich jakości.
  Kopalnia, w której zlokalizowane będą odpady, musi być sucha, zaś po zaprzestaniu składowania musi być zagwarantowana stała kontrola i nadzór nad składowiskiem.

Reasumując, najwyższy z możliwych poziom bezpieczeństwa można uzyskać zgodnie z obowiązującym prawem, korzystając przy budowie barier geologicznych z dwóch zasadniczych elementów: izolacji syntetycznej oraz sztucznej bariery mineralnej w przypadku braku w górotworze naturalnej bariery geologicznej. Obowiązkowo w planowanej konstrukcji składowiska znaleźć się muszą warstwy drenujące. Tylko odpowiedni dobór materiałów oraz odpowiednia konstrukcja zabezpieczeń dla danych warunków składowiska, zapewnia najwyższy poziom zabezpieczenia środowiska przed negatywnym oddziaływaniem składowiska.

Literatura:

1 Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 marca 2003 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów (Dziennik Ustaw Rok 2003 Nr 61 poz. 549).
2 Dyrektywa UE w sprawie składowania odpadów (99/31/WE z dnia 26.04.1999)

3. http://rg6.polsl.pl/palarski

4. www.powiatslawno.pl

5. Rosik-Dulewska Cz. - „Podstawy Gospodarki Odpadami”

6. http://www.utex.rybnik.pl/index.php?id=czIxbWs0MGJwNjg3

7. http://www.technologie-budowlane.com/Geomembrany-pc-71-9_15_71-.html

8. http://www.aknova.com.pl/index.php?modul=art&id=9

9. http://www.giph.com.pl/bg/2001_5-6/podziemne.html

---