Экономическая эффективность утилизации отходов горного производства Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

-------------------------------------- © Е.В. Шевченко, О.Г. Бурдзиева,

2010

УДК 622.013

Е.В. Шевченко, О.Г. Бурдзиева

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Предложен новый подход экономико-экологической оценки эффективности переработки хвостохранилищ Северо-Кавказского региона.

Ключевые слова: обогащение, отходы, эффективность, экология, экономика, переработка, хранение, затраты, утилизация.

Я а Северо-Кавказских месторождениях. несмотря на радикальное уменьшение объема добычи с 1991 по настоящее время. в окрестностях хранилищ отходов обогащения содержание свинца, цинка, галлия, никеля, ртути, селена в почве возрастает. Например, в техногенных месторождениях Северной Осетии на территории около 250 га накоплено до 9 млн. тонн хвостов обогащения и металлургии, содержащих: ртуть -110 т; свинец -5390 т; сурьму-52000 т; торий -1,3 т; кобальт 150 т; металлы гальваники - 43 т; мышьяк- 50 т (таблица).

В теплой и влажной среде хранилищ хвостов при доступе кислорода развивается окисление, прежде всего, сульфидных материалов, причем, катализатором физико-химических процессов является углекислота хвостохранилищ.

Окисление хвостов является следствием сложных химических и бактериальных процессов. При нагревании горных пород выделяются газы, преимущественно СО2 и N2 в количествах до 30 м3/т. При растворении изменяются кристаллические решетки минералов и газы высвобождаются, усиливая окислительные процессы.

Инициатором природного выщелачивания является пирит, играющий роль

катода. Действие электродных процессов проявляется на границах минералов с различными потенциалами. На эффективность процессов влияет скорость удаления газов, растворов, перемещения твердых остатков, т.е. раскрытия дополнительных рабочих плоскостей.

Отвальные воды выносят в окружающую среду продукты природного выщелачивания в виде соединений Zn SO4, Си SO4, Са SO4 и Fe SO4•7H2O. Во вторичных хвостах природного выщелачивания остаются Zn С03, РЬ С03, Си С03, РЬ SO4 и Fe SO4. Последствия природного выщелачивания хвостов для окружающей среды зависит от соотношения этих групп.

С увеличением количества сульфидов и уменьшением карбонатов эффективность выщелачивания увеличивается. Для Садона это соотношение составляет около 6:1. Это значит, что при полном окислении в углекислоты соединения переходят до 20%, а 80% находится в сульфатной форме.

Это соотношение нарушается углекислотой, образуемой разложением в контуре хвостохранилища органических веществ азотными соединениями, которые образуются при выделении газов -

Месторождения Характеристика

металл содержание, % запасы, т

Унальское хранилище хвостов обогащения 2 600 000 тонн на площади 61 га свинец 0,21 5460

цинк 0,32 8320

медь 0,10 2600

железо 6,2 161200

титан 0,18 4680

марганец 0,16 4160

серебро 4,2 г/т 10.92

Фиагдонское хранилище хвостов обогащения 2 400 000 тонн на площади 56 га свинец 0,19 4560

цинк 0,35 8400

медь 0,12 2880

железо 6,8 163200

титан 0,16 3840

марганец 0,14 3360

серебро 4,0 г/т 9.6

Хранилище хвостов металлургии завода «Электроцинк» 3 140 000 т на площади 30 га свинец 0,6 18840

цинк 0,8 34560

медь 1,1 34540

железо 20,6 646840

титан 1.2 37680

марганец 0.19 5966

серебро 3.5 10.99

продуктов взрывных работ (до 3 кг ВВ на 1 м3 горной массы).

Основной признак эффективного выщелачивания - растворимость возникающих соединений, т.к. кроме перевода в раствор, важна еще и транспортабельность продуктивного раствора. При достаточном количестве пирита и кислорода природное выщелачивание хвостов протекает активно и, наоборот, при недостатке кислорода процесс замедляется. Расход теплоты повышается при наличии кальцита, который нейтрализует кислоты.

В технологии обогащения применяются цианиды и свободная кремнекислота. Тонко размолотая в процессе обогащения кварцевая составляющая загрязняет атмосферу.

В составе хвостов обогащения представлена и радиоактивная составляющая, которая растворяется интенсивнее, чем сульфиды свинца и цинка. Наличие

урана и тория обусловлено генетически, т.к. из четырех стабильных изотопов свинца три являются конечными продуктами радиоактивных рядов урана 238, 235 и тория 233.

В процессе комплексного радиоактивно-химического воздействия на минералы происходит радиолиз жидкой фазы «вода - руды - металлы», рождающий кислород в виде гидроксильных групп, гидропеременных радикалов, перекиси водорода и т.п., угольную, азотную, серную и органическую кислоты и атомарный хлор, что интенсифицирует процесс выщелачивания.

Работа радиации заключается в разрушении минералов с раскрытием новых активных поверхностей для проникновения реагента. Руды с высоким содержанием радиоактивных компонентов в течение почти 2 веков в промышленных масштабах добывали на Садон-ских месторождениях и перерабатывали,

формируя значительную часть отвалов Садонского свинцово-цинкового комбината и завода «Электроцинк».

Инерционность опасности горнопромышленного производства для окружающей среды заключается в том, что после завершения работ по добыче руд и пород из хранилищ в окружающую среду из накопленных запасов еще длительное время будут поступать загрязняющие элементы.

С изменением физико-химичес-кой обстановки сульфиды, находящиеся в массиве природного месторождения в состоянии равновесия, приобретают потенциальную энергию и окисляю т-ся.

При увлажнении отвалов сульфаты частично растворяются, поддерживая уровень концентрации ионов в отвальных водах, поэтому изменение гидродинамического режима принципиально не изменяет минерализацию в системе.

Основной фактор поражающего воздействия хвостовых хранилищ - миграция металлов отвальными водами в окружающую среду.

Локальные нарушения системы биогеоценоза влекут за собой последствия для социо- природной системы, особенно, если это касается конфликта аграрной и промышленной сфер, так как растениеводство и животноводство, связаны с интенсивной эксплуатацией земельных ресурсов, а промышленные выбросы, сбросы и отходы производства загрязняют почвы, снижают их плодородие и приводят к деградации.

Выщелоченные природными процессами металлы: кадмий, цинк, свинец, мышьяк, ртуть и другие деградируют почвы. Избыток металлов отрицательно влияет на почвенную биоту и угнетает растения. Существенную опасность для почв представляют радионуклиды -стронций (9^г), кобальт (60Со), цинк

(65Zn), цезий (137Cs), которые особенно интенсивно поступают в растения на бедных почвах.

Математическая модель механизма поражения окружающей среды продуктами природного выщелачивания хво-стохранилищ увязывает процессы, происходящие в пределах отвалов, как заключительный этап реакции при отделении минералов от массива и транспортировке по технологической цепи, а также в биосфере после выноса растворов за пределы хвостохранилищ:

Y = f (Mc,Mr, Q, a, T ) =

= Z Z Z Z [(Qa + Qn + Qm ) • (аГ - aK )] X

n=1 p =1 o =1 t=1

X (Z Kc • Ky • Kt • Z K • Kr • K,pKr ) ^ max

где Y - факторы поражения окружающей среды продуктами природного выщелачивания; Мс - масса хвостов; Мг -масса природных реагентов; Q - объем производства; а - концентрация вещества; П - количество предприятий по добыче и переработке минералов; Р - количество компонентов в хвостах; О -операции технологической переработки; Т - время переработки; Q3, Qn, Qm - количество растворителей атмосферного, подземного и технологического проис-

„X x

хождения, соответственно; аг ,ак -

исходная и конечная концентрация веществ в хвостах; Кс - коэффициент самоорганизации геохимического ландшафта; К у - коэффициент утечки продуктов выщелачивания за пределы хво-стохранилищ; К т - коэффициент дальности утечки растворов; Кб - коэффициент влияния на биосферу; Кг - коэффициент глобальности; К вр - коэффициент реализации опасности со временем; Кг - коэффициент риска от неучтенных факторов.

Основное звено механизма загрязнения окружающей среды - извлечение загрязняющего элемента из хвостов в ре-

зультате природных физико-

химических, электрических и бактериальных процессов.

Ему может быть противопоставлено управляемое технологическое извлечение металлов из хвостов с получением доступных для неограниченной утилизации компонентов.

В качестве критерия целесообразности таких технологий используют: себестоимость продукции, прибыль, величину капитальных затрат и срок их окупаемости, рентабельность производства, чистый доход, приведенные затраты, национальный доход, дифференциальную горную ренту и др. показатели

Общий недостаток известных методик заключается в том, что они не учитывают экологические аспекты разрушения окружающей среды отходами. Отсутствие методик достоверного определения ущерба, наносимого некорректными или корректными с прежних позиций технологическими решениями, приводит к погрешностям в экономических расчетах.

Введение в практику расчета стоимости минерально-сырьевой продукции природоохранных затрат требует изменений в методическом подходе к выбору критерия и показателей экологоэкономической оценки минеральносырьевого потенциала региона.

Экономико-экологическую оценку эффективности переработки хвостов региона, где уже имеется не задействованный в рыночном товарообмене вторичный минерально-сырьевой потенциал, нами предлагается определять как сумму экологических, социальных и экономических эффектов.

Этот подход имеет преимущества, в том числе:

- учет эколого-экономической ситуации;

- расширение ассортимента выпускаемых товаров;

- комплексность горного производства;

- рационализация вариантов сочетания добычи и использования отходов;

- полнота использования природных ресурсов.

Предлагаемый критерий эффективности утилизации отходов представлен суммой прибыли или величиной условий прибыли при условии безотходно-сти технологии или утилизации отходов. Введение этого критерия ставит предприятия в равные положения, так как затраты на утилизацию будут зависеть от их технологического потенциала - чем корректнее технология, тем меньше затрат на реабилитацию окружающей среды.

Эффективность утилизации хвостов обогащения и металлургии складывается из снижения величины экологического ущерба от хранения хвостов, стоимости полученных при переработке металлов, сырья для строительной индустрии и попутной товарной продукции.

Сумма прибыли или интегральный критерий эффективности:

te+ty

IП = 1П-

t=1 t=1 1

1

+ Е,,

-X П-СУ (1 + Ену )> 0 ^ max

t=1

где t^ ty - время на добычу металла и на утилизацию отходов; Су - затраты на материалы, энергию, оборудование и оплату утилизации; Е нд - коэффициент процентной ставки на кредит для добычи и обогащения; Е ну - коэффициент процентной ставки на кредит для утилизации.

При оценке влияния складирования материалов обычно учитывают только ощутимые аспекты: занятость земли под хво-стохранилища, отвалы и т.п. Даже в непол-

ном виде для условий, например, КМА этот ущерб достигает 50-75% от затрат на добычу. Фактический же ущерб больше, если учесть ущерб окружающей среде не только во время добычи, но и спустя неопределенно долгое время впоследствии. Например, природное выщелачивание металлов на разведанных, но консервированных или же временно остановленных месторождениях обедняет запасы и загрязняет земли, водные источники, атмосферу и т.д.

При эксплуатации рудника и обогатительной фабрики от утилизации хвостов возможно получение товарной продукции, поэтому:

Yэкс.=X X X (МеЦм-МеуЦму ) +

t=1 n=1 k=1 t r f

+ZZZ( - Qy^ H max

t=1 r=1 f=1

где М еу - количество металлов, полученных при активации и утилизации хвостов обогащения и отходов; Ц м у - цена утилизированных металлов; Q y - восстановленные в результате утилизации полезные эффекты; Q - количество потерянных при нарушении экологии полезных эффектов; Ц

- стоимость потерянных эффектов и качества; Ц qy - цена утилизированных веществ: строительных материалов, восстановленного плодородия, продуктов и т.п.

При ликвидации предприятий без утилизации хвостов и отвалов, а только с рекультивацией земель, опасность окружающей среде не уменьшается, а возрастает за счет проявления новых, неизученных и непрогнозируемых глобальных факторов, отличающихся от региональных. Опасность увеличивается тем обстоятельством, что доступ к опасным отходам прекращается.

Ущерб окружающей среде от рекультивированных без утилизации хвосто-хранилищ:

Y>* =t (I ^МеЦм + I IQ^ +

t=l V П =1 k=1 r=1 f=1

+ t QгЦг I^ max

q=l

где q - число факторов глобального воздействия хвостов и отходов; Qг - количество глобальных эффектов поражения окружающей среды; Цг - цена компенсации факторов поражения среды.

Математическая эколого-эконо-мическая модель эффективности утилизации хвостов по критерию прибыли с учетом экологии региона имеет вид:

П=L L Z Z Z Z {(м^+РуЦду)}-

p=1 o=1 n=1 t=1 f=1 n=1

-Z [K (! + Ену) + Eq + Ex ]-[( МеЦм + ) + дгЦг ]x

з=1

хКсКуК1К6КгКврКч ^ max

где Р - продукты утилизации; О - виды отходов, вовлекаемые в переработку;

П - технологические процессы переработки отходов; Т - время переработки отходов; F - фазы существования рудника и фабрики; N - стадия утилизации отходов; З - затраты на утилизацию отходов; К - капитальные вложения для организации участка утилизации; Кс - коэффициент самоорганизации отвалов.

Экономический эффект получения продукции из хвостов обогащения:

‘ Г Р-Ц-За^

Э = t

1,08t

A

у

где Р - продукция получения от утилизации, вес ед.; Ц - цена продукции, ден. ед.; За - приведенные затраты на активацию, ден. ед./ед. веса; ^ и t - время начала и окончания работ; А - объем утилизации хвостов.

Экономический эффект, не учитываемый в денежном виде:

+ Э + Э + Э + Э

с 1 ч-/в.м 1 ч-/с.п 1 '-'у.о '-'г

Э Э Э Э

'-'в.м; '-'с.И; '-'у.й; '-'г.,

венно, эффективность снижения затрат в зависимости от конъюнктуры материалов,

Э = Э

ч-/н.д ч-/: где Эз.к

уг.д

- соответст-

0

производства попутных материалов, занятости населения и т.п.

Годовая прибыль от переработки хвостов обогащения и металлургии с учетом экологического ущерба:

По

^ (Ст.О _ Зоо ~ о

П х=-----------:----------+с+

1 о

-+см

ИМ

X (СтМ ~ Зо.м ~ Зм.м

+-1------------------

^ М

где Пх - годовая прибыль от переработки хвостов, руб./т; С т о - стоимость реализации продукции переработки хвостов, руб./т; З о о - затраты на обогащение хвостов обогащения, руб./т; Зом - затраты на металлургический передел хвостов обогащения, руб./т; п 0 - количество извлекаемых компонентов из хвостов обогащения; Q0 - масса хвостов обогащения, т; t 0 -время переработки хвостов обогащения, год; С ш0 - штрафы за хранение хвостов обогащения, руб/год; Ст м -реализация продуктов переработки хвостов металлургии, руб/т; Зо м - затраты на обогащение хвостов металлургии, руб/т; Зм м - затраты на металлургический передел хвостов металлургии, руб/т; п м - количество извлекаемых из хвостов металлургии компонентов; Qм - масса хвостов металлургии, т; t м - время переработки хвостов металлургии, лет; С шм - штрафы за хранение хвостов металлургии, руб/год.

Методика анализа воздействий хво-стохранилищ, основанная на принципе последовательных приближений, позволяет сократить затраты на мониторинг взаимодействия объекта с

окружающей средой и повысить его эффективность.

Интенсивность опасного для окружающей среды природного выщелачивания хвостов определяется характером и временем контакта твердой и жидкой сред, соотношением количества сульфидов и карбонатов, количества углекислоты и пирротина.

При рекультивации хвостохранилищ без утилизации хвостов опасность окружающей среде возрастает за счет проявления новых, неизученных и непрогнозируемых факторов и тем, что загрязняющие элементы будут поступать в окружающую среду еще длительное время.

Критерий эффективности технологий утилизации хвостов - прибыль при условии безотходности технологии или утилизации отходов ставит предприятия в равные положения, так как затраты на утилизацию будут зависеть от корректности технологий, определяющих величину затрат на реабилитацию окружающей среды.

Эффективность технологий утилизации хвостов обогащения и металлургии складывается из снижения величины экологического ущерба от хранения хвостов, стоимости полученных при переработке металлов, сырья для строительной индустрии и попутной товарной продукции, а область применения находят как совокупность значений, отвечающих приемлемому качеству изделий утилизируемых отходов при экономически доступных расходах энергии.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------

Шевченко Е.В. - Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, канд.эконом. наук, Шахты.

Бурдзиева О.Г. - Центр геофизических исследований РАН, аспирант, zaal@mail.ru.