CC BY
137
УДК 502. 654
Аспирант Ю.Р. ТИМОФЕЕВА
(СПбГУ, tima204@yandex.ru) Соискатель Е.А. СТЕПАНОВА (СПбГАУ, lestepan@mail.ru) Доктор биол. наук В.Л. БОГДАНОВ (СПбГУ, lab.naz.eco@gmail.com)
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ГОРНО-ПРОМЫТТТЛЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ (на примере ОАО «АПАТИТ»)
Горно-промышленный комбинат, нарушенные земли, биологическая рекультивация, многолетние травы, хвостохранилище
Масштаб промышленной деятельности человека с каждым годом заставляет обращать все более пристальное внимание на состояние природной среды.
По данным Государственного учета, площадь нарушенных земель в Российской Федерации на 1 января 2015 года составила 1057,8 тыс. га, что на 6,5 тыс. га больше по сравнению с предыдущим годом [1].
Значительный ущерб земельным ресурсам наносится в местах добычи полезных ископаемых, переработки руды, обогащения отходов горно-промышленного производства, а также при выполнении геологоразведочных, изыскательских, строительных и других работ. В связи с чем на предприятиях, деятельность которых связана с нарушением земель, неотъемлемой частью технологического процесса являются работы по рекультивации земель [2].
Биологическая рекультивация земель, нарушенных горнодобывающей промышленностью, позволяет не только восстановить почвенно-экологические функции территории, но и улучшить санитарно-гигиеническое состояние окружающей среды.
Место проведения исследования территория горно-обогатительного комбината ОАО «Апатит», расположенного в Мурманской области, занимающегося добычей апатито-нефелиновой руды на Хибинском месторождении. Процесс нарушения земель здесь связан с добычей руды открытым и комбинированным открыто-подземным способом (с преобладанием подземного) [3].
В состав горно-обогатительного комбината ОАО «Апатит» входят рудники, три обогатительные фабрики, из которых в настоящее время функционируют две, одно действующее хвостохранилище, а также ряд цехов, обеспечивающих производство и жизнедеятельность предприятия: железнодорожный и автотранспортный цеха, цех по производству взрывчатых материалов и другие.
Получаемая продукция — это фосфатное сырье, содержащее до 96% чистого минерала апатит, также, но в меньшем количестве нефелин, эгирин, сфен, микроклин, титаномагнетит и гидрослюды.
Целью исследования в данной работе являлось изучение технологии биологической рекультивации хвостохранилища горно-обогатительного комбината.
В задачи исследования входило изучение минералогического состава отходов добычи апатито-нефелиновой руды с целью изучения их пригодности для биологической рекультивациии, технологии рекультивации хвостохранилища, основой которого являются нефелиновые пески.
Большинство нарушенных земель - результат производственной деятельности горнохимического комплекса ОАО «Апатит». По состоянию на начало 2012 г., основным типом техногенного воздействия (типом освоения территории) является «Недропользование», и в частности, «Разработка твердых полезных ископаемых». Данный тип является причиной
нарушений на площади 1352 га (57,6% от общей площади нарушенных земель г. Апатиты с подведомственными территориями). К этому же типу техногенного воздействия можно отнести и «Гидротехническое строительство», которое включает отстойник хвостохранилища.
Хвостохранилище представляет собой отходы добычи апатито-нефелиновой руды, сложенной тонкодисперсной фракцией нефелиновых песков. При скорости ветра 4-6 м/с в сухом виде пески такого гранулометрического состава могут полностью переходить в аэрозольное состояние. Одной из основных экологических проблем на данной территории является пыление. При возвышении гребней и дамб хвостохранилища над окружающим рельефом и попадании в зону струйных течений приземного слоя атмосферы образуются мощные пылевые облака, которые под воздействием ветра распространяются на огромные расстояния.
Промышленные отвалы, служащие объектами рекультивации, чрезвычайно разнообразны. Они различаются по генезису слагающих их горных пород, от чего зависит их пригодность для биологической рекультивации и характер агрохимических и агротехнических мероприятий, необходимых для выращивания растений с целью закрепления поверхности.
Хвосты апатитовой и нефелиновой флотации обогатительных фабрик ОАО «Апатит», согласно разработанным классификациям, можно отнести к породам, пригодным для рекультивации, но требующим агрофизического и агрохимического улучшения. Это вытекает из оценки их состава и свойств.
По гранулометрическому составу осадки хвостохранилища относятся к пескам, так как преобладающей фракцией является фракция - 0,25-0,05 мм (табл. 1).
Нефелиновые пески представляют собой пылевато-песчаный материал. С таким механическим составом хвосты в виде пульпы поступают в хвостохранилище, где при ее отстаивании осадки дифференцируются и их толща слагается из разных слоев. В чаше хвостохранилища, где отстаивается пульпа, образуется наилок, состоящий из более тонкого материала, а вниз по профилю осадки становятся более грубодисперсными (табл. 1).
Таблица 1. Гранулометрический состав осадков заполненного хвостохранилища
(по данным на 2012 г.)
Глубина, см Содержание фракции, %
0,1 0,25 - 0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005 -0,001 <0,001 <0,01
0-5 од 28,9 59,0 6,4 3,2 2,4 12,0
11-15 0,6 30,9 56,0 5,4 4Д з,о 12,5
30-40 2,3 90,3 2Д 4,4 0,7 0,2 5,3
40-50 1,8 90,7 6Д 0,7 ОД 0,6 1,4
110-120 4,7 92,6 1,7 0,2 о,з 0,5 1,0
По минералогическому составу отвалы могут быть названы нефелиновыми песками (табл.2) в связи с высоким содержанием нефелина.
В нефелиновых песках содержание органического вещества незначительное и его происхождение не связано с биологическими факторами. Эти вещества попадают в песок в ходе обогащения апатит-нефелиновых руд.
Таблица 2. Минералогический состав хвостов от обогащения апатито-нефелиновых фабрик в Хибинах, %
Материал Апатит Нефелин Эгирин Полевой шпат Сфен Титаномагентит
Руда, 2010 г. 54,2 32.1 7,1 2,3 2.2 1,5
Хвосты, 1964 г. 6,2 58.9 11,6 8,2 5.0 4,2
Хвосты, 2010 г. 4,7 57,2 10,5 6,9 3,2 3,7
Успешное выращивание растений возможно только с учетом агрохимических особенностей субстрата и содержанием в нем питательных элементов. Для того, чтобы успешно выращивать растения и предотвращать пыление хвостохранилища, необходимо вносить органические вещества. Обогащение субстрата можно проводить с использованием навоза и компостов, а также карьерного торфа.
Кроме того, на развитие растений положительно влияет и применение азотных удобрений, поскольку азот полностью отсутствует в хвостах.
Отходы горно-обогатительного производства отличаются от зональных почв необычайным богатством фосфора и калия. Содержание фосфора в отвалах на порядок отличается от содержания в подзолистых почвах Мурманской области, поскольку в них присутствует минерал апатит, не полностью извлеченный из руды при ее обогащении.
Концентрация калия в 2-3 раза больше, чем в почвах, и это связано с его высокой подвижностью и большой растворимостью даже в воде. Исходя из этого, внесение в нефелиновые пески калийных удобрений при биологической рекультивации не имеет смысла
[4].
ОАО «Апатит» уже рассматривает технологию извлечения из хвостов нефелина, сфена, титаномагнетита, эгирина и апатита. Например, получение кондиционного апатитового концентрата возможно двумя вариантами, отличающимися от схемы основной переработки руды, вследствие низкого содержания Р2О5 в продуктах обогащения. Первый вариант - очистка концентрата преимущественно в открытом цикле с направлением промпродуктов в голову процесса или второй вариант - дообогащение промпродуктов в отдельном цикле с направлением обогащенного продукта в соответствующую точку технологической схемы [5].
В настоящее время на предприятии усовершенствована технология обогащения апатито-нефелиновых руд и, как следствие, в хвосты поступает меньшее количество апатита (табл. 3).
При изучении песков хвостохранилища разных сроков хранения существенных изменений не наблюдается. Так, в песках 60-х гг. установлено высокое содержание апатита, а в пробе 2010 г. составляет 4,7% (табл. 2, 3). Этот факт объясняется тем, что до 1960 гг. обогатительная фабрика работала на относительно крупном помоле руды, после режим дробления и технология обогащения усовершенствовались.
Таблица 3. Содержание Р и Са в хвостах, % на прокаленную навеску
Возраст хвостов, лет Р205 СОАО
0 2Д 4,9
10 4,4 6,1
20 5,6 7,6
40 7,7 10,0
Рекультивации подлежат нарушенные земли всех категорий, а также прилегающие земельные участки, полностью или частично утратившие продуктивность в результате отрицательного воздействия на них нарушенных земель [6].
На территории горно-промышленного комбината, согласно проектной документации ОАО «Апатит» [7], отсутствуют земли сельскохозяйственного, природоохранного, рекреационного, историко-культурного назначения, а следовательно они не затронуты техногенным нарушением комбината. Однако площадь нарушенных земель промышленности и иного специального назначения с 2008 г. по 2014 г. увеличилась с 14,3 тыс. га до 17,3 тыс. га.
Целесообразность и выбор конкретной технологии рекультивации отвалов и рудников определяется после окончания их эксплуатации на основании анализа различных факторов. Определяющим фактором при этом являются технико-экономические показатели, в основу которых положены стоимостные показатели ущерба окружающей среде и затраты на восстановление нарушенного почвенно-растительного покрова.
Процесс рекультивации нарушенных земель горно-промышленным производством состоит из подготовительного этапа, технической рекультивации и биологической рекультивации.
Подготовительный этап заключается в выявлении площадей нарушенных земель и их обследовании, в определении направления рекультивации и составлении проекта рекультивации с технико-экономическом обоснованием.
На территории комбината для выбора объекта рекультивации нарушенных земель важное значение имеет вертикальная зональность отвалов. Она определяет объем биологической рекультивации нарушенных земель, так как этот вид рекультивации по климатическим условиям может производиться только на ярусах, расположенных до отметки 405 м. На верхних ярусах, расположенных выше 405 м, биологическая рекультивация путем посева или высаживания каких-либо растений затруднена. Здесь может происходить только самозарастание скальных пород мхами и лишайниками, произрастающими на данной высоте. Исходя из этого, главным объектом рекультивации нарушенных земель на горнопромышленном предприятии ОАО «Апатит» является хвостохранилище, с максимальной отметкой высоты, равной 70 м.
Первый этап восстановления нарушенных земель техническая рекультивация. Этот этап предусматривает планировку, формирование откосов, снятие, транспортирование и нанесение почв и плодородных пород на рекультивируемые земли, устройство гидротехнических и мелиоративных сооружений, захоронение токсичных вскрышных пород, а также проведение других работ, создающих необходимые условия для дальнейшего использования рекультивированных земель [8]. Техническая рекультивация зависит от региональных условий и обычно проводится предприятиями, которые разрабатывают месторождения полезных ископаемых.
Второй этап — биологический этап рекультивации. Обязательным условием проведения данного этапа является его осуществление после полного завершения технического этапа.
Биологическая рекультивация заключается в восстановлении почвенного покрова путем применения комплекса агротехнических и фитомелиоративных мероприятий. Это позволяет улучшить физические, агрохимические и микробиологические свойства почв. В результате таких мероприятий почва приобретает оструктуренность, она обогащается минеральными и органическими питательными веществами, необходимыми для роста и развития растений.
Составные части нарушенной территории хвостохранилища, на которых возможно проведение биологической рекультивации:
Гребни дамб и выгюложенные участки чаши, примыкающие к гребням. Эта зона подвергается более интенсивному ветровому воздействию. Здесь происходит быстрое иссушение при длительном отсутствии осадков. Закрепление возможно только после нанесения слоя торфа мощностью 5-10 см.
Центральные части чаши. Дно чаши выстлано слоем наилка, образовавшегося в результате отстаивания пульпы. Эта часть хвостохранилища имеет наиболее благоприятные водные условия и легче всего поддается рекультивации. Закрепление этой части возможно без внесения торфа, а путем посева многолетних растений с последующим покрытием пленкообразным веществом.
Крутые внешние откосы дамб. Откосы крайне неустойчивы при механическом воздействии и наиболее трудоёмки в обработке реагентами. Кроме того, пока не разработаны механизированные способы нанесения на поверхность торфа или реагентов. В настоящий момент для закрепления данной зоны хвостохранилища применяется посадка волоснеца песчаного (Leymus arenarias Höchst). Этот многолетний корневищный злак способен произрастать в неблагоприятных условиях, в том числе и на откосах дамб. Первые 2 года идет замедленное развитие, а в последующие формируется густая корневая система.
Первые опыты по закреплению пылящих хвостов на территории хвостохранилища состояли из посева многолетних трав с применением торфяного покрытия мощностью до 5 см. Наличие на поверхности почвы торфяной крошки позволило предотвратить выдувание семян и молодых растений.
Опыты показали, что при внесении минеральных удобрений растения развиваются нормально, образуя мощную корневую систему. Кроме торфа для предотвращения пыления нефелиновых песков возможно использовать пленкообразующие реагенты. Эти вещества наносились на поверхность песков после внесения в них удобрений и высева семян. В качестве таких реагентов можно использовать различные вещества, отвечающие следующим требованиям: они должны создавать на поверхности песков пленку, которая хорошо пропускает воду и легко пронизывается всходами растений; не должны быть токсичными вообще и, в частности, по отношению к проросткам многолетних трав. Среди таких пленкообразующих веществ следует назвать латексы, нэрозин, битумные эмульсии [9].
В настоящее время на предприятии используется способ закрепления хвостов, предложенный специалистами Горного института Кольского филиала Академии Наук [10]. Это метод химического закрепления пылящих поверхностей 3-5% водными дисперсиями латексов БС-50, БС-65, СКС-65ГП, водными дисперсиями лигносульфонатов, а также биолого-химический метод с использованием в качестве посевного материала семян волосенца песчаного (Leymus arenarias Höchst). Оптимальный расход рабочих растворов реагентов при химическом способе составляет 1,5 л на 1 м" площади. Для залужения поверхности пылящей территории норма высева семян в зависимости от вида многолетних трав составляет 110 - 150 кг/га. Семена высеваются разбросным методом.
Обязательным условием эффективности применения латекса перед залужением является проведение работ в короткий срок - не более 3-4 недель, сразу же после схода снежного покрова, в противном случае ситуация значительно осложняется переносом песка с необработанных участков.
С помощью карьерных поливооросительных машин за один прогон с применением латекса можно закрепить 2 га пылящей территории и 8 -10 га за 12-часовую смену.
При проведении биологической рекультивации наиболее эффективным способом считается закрепление пылящей территории с использованием местных популяций многолетних трав. Самыми устойчивыми в фитозенозе и перспективными оказались: кострец безостый (Bromus inermis Leyss), овсяница луговая {Festuca pratensis Hiids), тимофеевка луговая {Phleitm pretense L), лисохвост луговой (Alopecurus pratensis L), овсяница красная (Festuca rubra L), мятлик луговой (Poa pratensis L) и волосенец песчаный (Elymits arenarius L).
Сотрудниками Полярно-альпийского ботанического сада-института доказана перспективность для этой цели лисохвоста тростникового как интродуцированного вида и волоснеца песчаного как аборигенного вида.
При высевании растений происходит уменьшение ветровой и водной эрозии, а также растительные остатки обеспечивают поступление органического материала в субстрат. По результатам мониторинга установлено, что уже на начальном этапе существования сеяного фитоценоза наблюдается аккумуляция органического вещества в субстрате в результате поступления в первый год большого количества растительных остатков покровной культуры.
Попытки использовать для залужения хвостохранилищ бобовые многолетние травы не привели к успеху - на второй-третий год они полностью выпали из травостоя.
Разработанная технология восстановления нарушенных земель посевом трав без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием, по сути, обеспечивает реализацию программы образования почвенной системы на минеральных субстратах, заложенной в природной среде в ходе эволюции.
В настоящее время на предприятии ОАО «Апатит» производятся ежегодные рекультивационные работы по закреплению откосов и пляжей дамб хвостохранилища: механическая обсыпка грунтом дамбы; засев откосов дамбы преимущественно волосенцом песчаным; нанесение лигносульфоната и битумной эмульсии (на пляжи, дамбы обвалования и откосы).
Резюмируя вышеизложенные материалы, можно отметить, что применение биологического метода рекультивации территории хвостохранилища с предварительным нанесением закрепляющих реагентов позволяет уже на второй - третий год закрепить пылящую поверхность. Кроме того, наши исследования показали нетоксичность нефелиновых песков, из которых состоит хвостохранилище, и пригодность их для произрастания растений.
Литература
1. Государственный (национальный) доклад о состоянии и использовании земель в Российской Федерации в 2014 г. - М.: Росреестр, - 2015. - 233 с.
2. Баденко В.Л., Гарманов В.В., Богданов В.Л., Терлеев В.В. Современные технологии мониторинга нарушенных земель в политехническом образовании по специализации «Маркшейдерское дело». Современные технологии и развитие политехнического образования [Электронный ресурс] : Международная научная конференция г. Владивосток, 14-18 сентября 2015 г.) / Дальневост. федерал, ун-т, 2015. - С. 146-150.
3. Богданов В.Л., Гарманов В.В., Тимофеева Ю.Р. и др. Динамика нарушенных земель и качественного состава хвостов на горно-обогатительном комбинате: Сб. докл. молод, научн,-практ. конф. в рамках XLIII Недели науки /СПбПУ. - СПб.,2014. - С. 34-36.
4. Переверзев В.Н., Подлесная Н.И. Биологическая рекультивация промышленных отвалов на Крайнем Севере. - Апатиты, 1986. - 104 с.
5. Иванова В.А., Рухленко Е.Д. Оценка минералого-технологических свойств складированных отходов обогащения апатит-нефелиновых руд // Горный журнал. - 1999. - № 9. - С. 92-95.
6. Сметании В.И. Рекультивация и обустройство нарушенных земель. - М.: Колос, 2000. - 94 с.
7. Проектная документация ООАО «Апатит»: Раздел 8 «Перечень мероприятий по охране окружающей среды. Рекультивация нарушенных земель» - Апатиты, 2013. - 403 с.
8. ГОСТ 17.5.1.01-83. Охрана природы. Рекультивация земель. Термины и определения. - Введ. 1984-06-30. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 13 с.
9. Переверзев В.Н., Подлесная Н.И. Рекомендации по биологической рекультивации хвостохранилищ производственного объединения «Апатит» (практические рекомендации). -Апатиты, 1982. - 21 с.
10. Григорьев A.B., Шалль Э.Э. Экологические аспекты развития ОАО «Апатит» // Горный журнал. - 1999. - № 9. - С. 69-71.
