CC BY
64
УДК 622
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБРАЩЕНИЯ С ОТХОДАМИ ПРОИЗВОДСТВА ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО
РЕГИОНА
Г.Г. Рябов, М.В. Хмелевский, С.М. Богданов
Обосновано, что главной проблемой экологически рационального управления горными предприятиями являются технологии использования вторичных ресурсов, поэтому существенно возрастает значимость рационального выбора стратегии обращения с промышленными отходами. Показано существование значимой внутренней обратной связи между управлением процессами технологических и организационных изменений в региональной системе обращения с отходами производства. Отмечено, что региональная система природопользования представляет собой открытую эколо-го-технологическую систему.
Ключевые слова: отходы производства, горнопромышленный регион, вторичные ресурсы, экологическая безопасность, строительные материалы, химический состав, системный подход, математическая модель, вычислительный эксперимент.
Очевидно, что в основе развития человеческого общества находится система многогранного взаимодействия с окружающей средой, а, следовательно, это развитие невозможно без воздействия на природу и без использования природных ресурсов [1, 2]. Но стала очевидной настоятельная необходимость проведения фундаментальной реструктуризации современных технологий природопользования, обусловленной эмерджент-ным проявлением разрозненных и совокупных воздействий на окружающую среду различных отраслей промышленности. Это связано с тем, что отраслевое деление ответственности за производимые отходы не позволяет создать достаточно эффективной системы комплексного обращения с отходами производства, обеспечивающей максимально возможное использование промышленных отходов в качестве минерального сырья [3-6]. Вследствие того, что ежегодная мировая добыча минерального сырья составляет более 100 млрд т, только из-за развития отвалов из хозяйственного оборота изымается до 10 млн га земли. В отвалы на протяжении многих лет направляются вскрышные породы, огнеупорные глины, песчаники, кварциты, фтористые и нефелиновые отходы обогащения, отходы переработки известняка, солевые шламы. Накоплено более сотни миллиардов различных горных пород, которые по своему качеству часто превосходят то нерудное сырье, которое добывают для производства строительных материалов [7-10].
Комплексное использование сырья и промышленных отходов металлургических, энергетических, горнодобывающих и химических предприятий является острейшей проблемой не только России, но и любого экономически развитого государства, и, как показала практика, отходы
именно этих отраслей промышленности, во-первых, производятся в наибольших количествах и, во-вторых, представляют серьезную экологическую опасность.
Использование поверхности Земли - наиболее общая стратегия обращения с твердыми отходами производства. Многолетние наблюдения на территории Подмосковного угольного бассейна показывают, что независимо от количества действующих предприятий на территории угледобывающего региона решение проблемы экологических последствий несовершенной системы обращения с отходами не утрачивает своей актуальности. Подмосковный бассейн включает территории Московской, Тульской, Новгородской, Тверской, Смоленской, Рязанской и Калужской областей. В настоящее время подземная добыча угля в Подмосковном бассейне прекращена [11, 12].
Однако отходы угледобычи и топливно-энергетического комплекса все еще воздействуют на окружающую среду существенным образом.
Поэтому отвалы отработанных шахт, полигоны твердых отходов горно-металлургических предприятий и тепловых электростанций должны быть объектами постоянного экологического мониторинга.
Промышленные отходы характеризуются разнообразием состава и свойств и широким спектром направлений использования, поэтому целесообразно создать информационную базу данных по имеющимся и вновь образующимся отходам, что позволит установить стоимость вторичного сырья, требования к хранению и вторичной переработке для оптимального решения задач рационального природопользования.
Формы воздействия на элементы биоты различных источников отходов производства, являющихся следствием работы горнодобывающих комплексов в Подмосковном угольном бассейне, представлены в таблице. Таким образом, деятельность предприятий угледобывающего комплекса Подмосковного бассейна играет заметную роль в нарушении земной поверхности и загрязнении окружающей среды и может быть расценена как экологически опасная.
Одни из важнейших факторов в отношении полигонов твердых отходов, отвалов угольных шахт, горно-металлургических предприятий и тепловых электростанций, определяющих их санитарно-гигиеническую, экологическую и технологическую перспективность, - это структура и состав отходов, а также физико-химические свойства веществ, слагающих складируемую твердую смесь [13 -14].
В Тульской области имеется ряд отходов, которые из-за повышенной токсичности или ряда других причин, не нашли широкого применения ни в одной отрасли народного хозяйства, в том числе и в производстве строительных материалов.
К числу таких отходов относятся саморассыпающиеся металлургические шлаки, например, феррованадиевые шламы, содержащие агрессив-
ные кислоты (HF, HCl, H2SO4, H3PO4), отходы угледобычи, буроугольные золы, шлам газоочистки доменных печей и многие другие.
Таблица 1
Формы воздействия^ угольных шахт на окружающей среды_
Источник воздействия Форма воздействия Поражаемые элементы окружающей среды Характер поражений Формы расширения зоны воздействия
Выработанное пространство Обрушение подрабатываемых пород Поверхность Земли Провалы Эрозия земной поверхности и почв
Засорение пылью почв и поверхностных вод
Водные объекты на поверхности и водоносные толщи Дренаж Расширение депрессионной воронки
Оседание пород с образованием трещин в водоупорных основаниях Водные объекты с нарушенным водоупорным основанием Дренаж Расширение депрессионной воронки
Оседание пород Поверхность Земли. Грунтовые воды Подтопление почв
Хранилища отходов Создание ландшафтных новообразований Поверхность Земли Загромождение Засорение почв, грунтовых поверхностных и подземных вод пылью и зоо- и фито-токсичными компонентами
Подтопление почв
Самораспадающийся феррованадиевый шлак АК «Тулачермет» представляет собой порошкообразный высокодисперсный продукт белого цвета, имеющий следующий химический состав: [5Ю2]=28,6 %; [А/2О3]=2,3 %; [СаО]=59,96 %; М0]=13,76 %; [Тг02]=0,78 %; [^05]=0,3 %; [^е0]=0,21 %; [Мп0]=0,09 %; [^О5]-следы.
Часть оксида кальция в составе этого шлака находится в связанном состоянии в виде минерала g-2Са0Si02, образующегося при самораспаде шлака в результате полиморфного превращения b-2Са0Si02.
Вторая часть оксидов кальция и магния (8...10 %) находится в свободном пережженном состоянии, что особенно ограничивает непосредственное применение этого шлака в сырьевых смесях строительных материалов, так как медленное и запоздалое гашение этих оксидов в затвердевших растворах или бетонах приводит к их разрушению.
Особый интерес для производства композитов представляют отработанные катализаторы при производстве аммиака, не подлежащие регенерации, например, катализаторы типа «К-482», «СНТК-1-7», «ГИАП-3» и др. Установлено, что катализатор «К-482» в тонкомолотом состоянии может выполнить функцию наполнителя и одновременно пигмента для декоративных вязко-текучих растворов с применением магнезиального вяжущего.
Также установлено, что отработанный отход «ГИАП-3», содержащий повышенное количество А1203, может применяться как добавка в шихту производства минеральной ваты взамен брака керамического кирпича. Отработанный отход «ГИАП-3» улучшает физико-механические свойства и жаростойкость шлакощелочных вяжущих. В этом направлении работа продолжается и находится на стадии испытаний. Особенно ценным отходом для производства композиционных материалов является отработанный катализатор «СТК-1-7», то есть катализатор железохромовой конверсии окиси углерода. Насыпная плотность гранул катализатора 1500 ... 1700 кг/м , цвет - темно-коричневый с вишневым оттенком. Катализатор «СТК-1-7» в сравнении с катализатором «К-482» содержит незначительное количество ионов Б03, что позволило испытать его в качестве пигмента в цементно-песчаных растворах и шлакобетонах.
Жидкий отход производства витамина А - водно-кислый раствор -представляет собой бесцветную жидкость без запаха плотностью 1,02 ... 1,03 г/см .Этот отход получается на второй стадии промывания ё-иона -полуфабриката витамина А. В состав водно-кислого раствора входят: серная кислота 7,8.8 %; соляная кислота 0,13.0,2 %; сульфат натрия 0,25.0,3 %; следы органических смол и вода.
При обработке феррованадиевого шлака водно-кислым раствором происходит химическое взаимодействие кислот этого раствора с Mg0 и СаО, входящих в состав феррованадиевого шлака. Этим обеспечивается соответствующий ускоренный период в процессе приготовления сырьевой смеси силикатного кирпича М^О в Mg(0H)2 и СаО в Са(0Н)2.
В Тульском государственном университете исследован отработанный катализатор «К-482», не поддающийся регенерации и поступающий по мере отработки в отвалы. Отработанный катализатор «К-482» представляет собой темно-коричневые с бордовым оттенком гранулы в виде цилиндров с длиной 1,5.2 см и диаметром 0,5.0,7 мм и твердостью по шкале Маоса 2.2,5. Гранулы легко измельчаются до удельной поверхности 2000 см /г и более. Эти отходы имеют следующий химический состав: гематит (Гв203) 89,2.90,4 %; оксид хрома (Сг203) 5,6.8,23 %; сульфат аммония (адсорбированный) (ЫИ4)-2803 остальное.
Отходы, которые образуются при обогащении углей, в среднем составляют 3 т на 1 т угля с постоянным ростом соотношения в сторону образования отхода к добываемому углю. Дисперсность отвалов составляет 1,9.3,0 мм в верхних ярусах и более 50 мм в нижних ярусах отвалов. Терриконы шахт Подмосковного бассейна имеют следующий состав: £02 - 53,7.83 %; Л1г0ъ - 9,6.16,4 %; ^е203 - 0,4.5,0 %; ТЮ2 - 0,3.1,1%; Mg0 - 0,15.0,25 %; СаО - 0,3.2,5 %; Мп02 - 0,01.0,02 %; К2О - 0,2.0,8 %; Р2О5 - 0,02.0,5 %.
Кислотность отвалов составляет (3.5)рН и определяет класс токсичности. Состав железного колчедана: Гв - 27.45 %; £ - 32.40 %; С -
4,5.16 %; Si02 - 7.10 %; A/10з < 3,3 %; СаО - 0,8 %; Мg0 - 0,6 %; МпО -0,1 %; См - 0,5 %; 2п - 0,5 %; РЬ - 0,5 %; - 0,1 %; Sn, М, Ве, В, V, Сг, Со, Оа, Sг, У, 2г, М, Мо, Se, I - следы.
Бурые угли Подмосковного бассейна характеризуются сложным петрографическим составом и подразделяются на две группы: гумолиты, сапропелиты (последние встречаются редко). В зависимости от зольности бурые угли подразделяются на 4 группы: 1) А < 30,0; 2) А = 30,0.35,0; 3) А = 35.40; 4) А = 40.45, где А - зольность, %. Это высокосернистые угли с содержанием общей серы более 3 %.
Отходы металлургического производства составляют один из основных источников вторичного сырья для производства строительных материалов. Доменный металлургический шлак ОАО «Косогорский металлургический завод» с насыпной плотностью 800.1100 кг/м имеет следующий химический состав: Si02 - 8,5.8,94 %; А/203 - 2,33.2,67 %; Ге0 - 13,13.13,30 %; ^03 - 62,81.63,26 %; Мп0 - 0,28.0,30 %; Mg -3,32.4,38 %; С/~ - 9,7.12,8 %; Н20 - 3,4.11,60 %.
Ферромарганцевые гранулированные шлаки имеют насыпную плотность 700.900 кг/м ; содержат 50.80 % стекловидной и 20.25% кристаллической фазы (силикаты кальция, алюмосиликаты, оксиды железа, и кальция). Среднее содержание компонентов, %: Мп - 1,5; Си - 0,05; 2п - 0,7; Аи - 0,3; редкоземельных элементов - 0,1.4,0.
Ферромарганцевая колошниковая пыль содержит следующие компоненты: Si02 - 9,9.13,7 %; МП304 - 25,8.33,9 %; ¥е203 - 5,86.14,7 %; Са0 - 8,15.9,5 %; {Ыа20 + ^20) - 4,13.5,75 %; S - 0,85.1,38 %; А/20ъ -2,85.2,90 %; ¥е0 - 2,15.2,26 %; Р - 0,13.0,15 %; С - 25.30 %.
Следовательно, целенаправленный синтез малоиспользуемых отходов, таких, как феррованадиевые шлаки и шламы, содержащие агрессивные кислоты (НГ, НС/, H2S04, Н3Р04), отходы угледобычи, буроугольные золы и шлам газоочистки доменных печей в результате самопроизвольного химического процесса, протекающего между компонентами смешивающихся отходов, может образовывать нетоксичный конечный продукт, играющий роль ценной добавки или сырья для производства строительных материалов. Как правило, конечный продукт почти не требует дополнительных затрат энергии на его обработку.
Радиологическая характеристика отходов, которые можно использовать при производстве композиционных материалов и изделий, исследовалась путем измерения активности радионуклидов, находящихся в отходах. Измерения проводились с использованием гамма-спектрометрического тракта на базе анализатора АИ-4К с полупроводниковым детектором типа ДГДК-125В с аналоговым блоком в стандарте «Вектор». Методика была разработана с учетом рекомендаций Государственной системы по обеспечению единства измерений МИ 2143-91 по определению активности радионуклидов. Результаты измерения удельной активности
отходов, которые могут использоваться для производства строительных материалов, свидетельствуют о том, что удельная активность изменяется в пределах от 101 до 713 Бк/кг, а ее среднее значение составляет 305,1 Бк/кг. Анализ результатов статистической обработки данных вычислительных экспериментов показал, что наиболее приемлемой является гипотеза о нормальном законе распределения. В целом, исследования показали, что исследованные отходы могут использоваться в качестве вторичного сырья для производства строительных материалов.
Отходы в процессе хранения изменяют свои свойства, поэтому знание динамики этого процесса является основой системы комплексного мониторинга обращения с любыми видами вторичного сырья. В качестве эмерджентной характеристики состояния складируемой твердой смеси целесообразно использовать функцию распределения р для ¿-го физико-химического свойства как слагающих компонентов, так и массы отходов в целом. Такая функция может быть легко идентифицирована. Например, I = 1 - плотность отходов, представляющая собой объемное распределение массы; I = 2 - удельная активность, характеризующая объемное распределение интенсивности радиоактивного распада радионуклидов в отходах; I = 3 - концентрация_/-го компонента в отходах, которая является распределением массы компонента в составе твердой смеси (это распределение легко представить в виде распределения массы по объему смеси). Математическая модель динамики распределения физико-химических свойств отходов на полигонах и в отвалах имеет следующий вид:
где t, т - время процесса и длительность хранения соответственно; X¡ -константа скорости изменения i-го свойства; pio, pic - плотность распределения во времени i-го свойства отходов в начальный момент времени (т.е. в момент их образования) и в момент времени, соответствующий началу хранения.
Результаты вычислительных экспериментов показали, что распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов при их складировании на поверхности Земли изменяется за время хранения до некоторого фиксированного значения, равного picexp(-Áir). Решение (3) справедливо, пока время хранения отходов t не превосходит некоторого предельного значения т. Далее материал может терять свои потребительские свойства, что формально выражается значением плотности распределения этих свойств, стремящейся к нулю (весь запас техногенного сырья отгружается потребителю или выбывает из кате-
рг0exp (-А,t) при 0 < t <т, Pi (t,т) = i Piо exP(-V) + exPT)x
(1)
гории балансовых запасов из-за истечения срока годности). Аналогичный подход вполне приемлем к оценке плотности распределения свойств уже изготовленных композиционных материалов и изделий. В этом случае можно оценить срок службы материала, задав вектор критических значений плотности распределения эксплуатационных свойств. Тогда оценивается и период образования новых отходов, но уже на этапе эксплуатации изделий.
С ростом использования отходов в производстве композиционных материалов необходимо совершенствовать вопросы исследования экологической безопасности помещений, в которых будут использоваться те или иные материалы и строительные изделия. На современном этапе развития знаний по данному вопросу целесообразно рассмотреть виртуальные (не запрещенные законами термодинамики реагирующих сред) схемы химических реакций в строительных материалах из отходов производства горной промышленности (рисунок).
В технологии холодного твердения низкотемпературные модификации $>Ю2 Са¥2 и $>Ю2Р205 разлагаются водой:
3£Ю2Са¥2 +2Н20=Са [£¥6 ]+Са£03 +Са(0Н )2 +Н2£03,
8102Са¥2 +3Н20=Са (0Н )2 +Н2 £03 +2Н¥, £102Са¥2+Н20=СаБЮъ+2Н¥.
Остальное аналогично. Серосодержащие компоненты также разлагаются молекулами воды:
££1¥2+2Н20=Н2£+£102+2Н¥, ££1С12+2Н20=Н2£+£10:^+2НС1.
Расход кислорода на процессы окисления оксидов и сульфидов металлов низших степеней окисления:
4¥в0+02=2¥в203, 2Мп0+02=2Мп02, ¥203+02=¥205, 2Сг203+302+4Са0=4СаСг04.
Вероятность реализации той или иной схемы химических реакций определяется внешними условиями, но при этом разработка мероприятий по защите среды обитания людей от вредных воздействий является обязательной. В целом результаты исследований показывают, что в определенных условиях возможно образование токсичных примесей в материалах. Термодинамические расчеты подтвердили вероятность этих реакций. Обобщение результатов выполненных исследований показали, что существенно возрастает значимость рационального выбора стратегии обращения с промышленными отходами, ориентированной на преодоление технологических разрывов в различных отраслях промышленности горнопромышленного региона. При этом концептуальная установка по реструктуризации горного предприятия как деятельности геоэкологического характера, позволяет реализовать системный подход к разработке проектов обращения с отходами производства на любом уровне управления горнопромышленным регионом (рисунок).
Системный подход к разработке проектов обращения с отходами производства горнопромышленного региона
Основные выводы по результатам выполненных исследований заключаются в следующем.
1. Главной проблемой экологически рационального управления горными предприятиями, высокочувствительными к инновациям, являются технологии использования вторичных ресурсов, поэтому существенно возрастает значимость рационального выбора стратегии обращения с промышленными отходами, ориентированной на преодоление технологических разрывов в различных отраслях промышленности горнопромышленного региона. Это свидетельствует о существовании значимой внутренней обратной связи между управлением процессами технологических и орга-
низационных изменений в региональной системе обращения с отходами производства.
2. Региональная система природопользования представляет собой открытую эколого-технологическую систему, где техногенная деятельность, связанная с использованием минеральных ресурсов, изменяет состояние геоэкологической системы, что, в свою очередь, нарушает рекреационные способности природы, поэтому экологически рациональные технологии производства материалов из промышленных отходов на территории горнопромышленного региона позволяют в целом улучшить экологическое состояние этих территорий.
3. Практика показывает, что в современных экономических условиях одним из наиболее приоритетных направлений использования производственных отходов в горнопромышленных регионах является разработка научно обоснованных технологических регламентов по переработке отходов горной промышленности в различные строительные материалы и изделия.
4. Установлено, что удельная активность отходов ТЭС, горнометаллургических и химико-технологических предприятий Тульской области, которые могут использоваться для производства строительных материалов, является случайной величиной, для которой приемлема гипотеза о нормальном законе распределения, а зафиксированные значения изменяются от 101 до 713 Бк/кг, при этом оценка математического ожидания составляет 305,1 Бк/кг.
5. Выявлены характерные особенности динамики образования отходов горно-металлургических, химико-технологических, теплоэнергетических предприятий и доказано, что распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов при их складировании на поверхности Земли изменяется за время хранения до некоторого фиксированного значения, а далее материал может терять свои потребительские качества, что формально выражается значением функции плотности распределения этих свойств, стремящейся к нулю.
Список литературы
1. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.
2. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N.M. Kachurin [et al.] // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44-48.
3. Качурин Н.М., Калаева С.З., Воробьев С. А. Получение магнитных жидкостей из отходов // Обогащение руд. 2015. №2. С.47-52.
4. Nikolai Kachurin, Vitaly Komashchenko, Vladimir Morkun. Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No 6. P. 595-598.
5. Геоэкологические принципы оценки эффективности подземной геотехнологии добычи угля / Н.М. Качурин и [др.] // Изв. ТулГУ. Естественные науки. Вып. 1. Ч. 2. 2012. С. 24-30.
6. Экологическая оценка геотехнологии получения энергии из углей Подмосковного бассейна / Н.М Качурин. и [др.] // Изв. ТулГУ. Естественные науки. Вып. 1. Ч. 2. 2012. С. 30-36.
7. Перспективы экологически безопасного использования отходов производства на территориях горнодобывающих регионов / Н.М. Качурин и [др.] // Безопасность труда в промышленности. 2014. № 9. С. 81-84.
8. Распределение ресурсов на профилактику загрязнения атмосферы горнопромышленного района / Н.М. Качурин и [др.] // Безопасность труда в промышленности. №2. 2015, С.24-27.
9. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин и [др.] // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 43-46.
10. Методические принципы и системный подход к обращению отходами производства и потребления на территориях угледобывающих регионов / Н.М. Качурин и [др.] // Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях / ФБГУН «Горный институт» УрОРАН. Пермь. 2014. С. 123 - 127.
11. Методические положения экологического мониторинга параметров окружающей среды при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин и [др.] // Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях / ФБГУН «Горный институт» УрОРАН. Пермь. 2014. С. 128 - 133.
12. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Факторович В.В.Оценка геоэкологических последствий подземной добычи полезных ископаемых // VI International Geomechanical Conference Federation of the Scientific Engineering Unions in Bulgaria. Varna. 2014. P. 323 - 331.
13. Kachurin Nikolai M., Vorobev Sergei A., Bogdanov Sergei M. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources // 5 th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 135-140.
14. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas / Kachurin N. M. [et al.] // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 141-149.
Рябов Геннадий Гаврилович , д-р техн. наук, проф., ecology@tsu.tula.ru , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хмелевский Максим Викторович, асп, galina_stas@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Богданов Сергей Маратович, асп., galina stas@niail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ENVIRONMENTAL SUBSTANTIATING USING INDUSTRIAL WASTES OF MINING-INDUSTRIAL REGION
G.G. Riybov, M.V. Hmelevsky, S.M. Bogdanov
It's substantiated that main problem of environmental rational management by mining enterprises is technologies of using recyclable materials therefore importance of rational choosing using industrial wastes strategy increases substantially. It's shown that significant feedback is between managing technological processes and organization changing at regional system of using industrial wastes. It's noted that regional nature management system is open environmental-technological system.
Key words: industrial wastes, mining-industrial region, recyclable materials, environmental safety, construction materials, chemical composition, systems approach, mathematical model, calculation experiment.
Riybov Gennadyi Gavrilovich, Doctor of Sciences, Associate Professor, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Hmelevsky Maxim Victorovich, Post Graduate Student, salina stas a mail.rii, Russia, Tula, Tula State University,
Bogdanov Sergei Maratovich, Post Graduate Student, galina stasai.mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
