CC BY
436
УДК 662.613.122, 662.613.112
ЭКОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТАВА И СВОЙСТВ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ (НА ПРИМЕРЕ ХАБАРОВСКОЙ ТЭЦ-3)
© А.А. Черенцова
Ключевые слова: золошлаковые отходы; оценка; состав; свойства; применение.
Исследованы физико-механические свойства и химический состав золошлаковых отходов, образующихся при сжигании каменного угля. Дана оценка степени загрязнения золоотвала на основе расчета суммарного показателя химического загрязнения тяжелыми металлами и определения удельной эффективной активности естественных радионуклидов. Проведен анализ элементного и количественного изменения состава золоотвалов на различной глубине. Определен класс опасности золошлаков. Установлены наиболее приемлемые направления использования золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3.
Как известно, одной из важнейших проблем теплоэлектростанций является проблема утилизации золошлаковых отходов (ЗШО), которые образуются при сжигании твердого топлива. Площадь, занимаемая золошлаковыми отвалами на территории РФ, составляет около 20000 га и ежегодно увеличивается примерно на 4 % [1]. Согласно многим исследованиям, в золошлаковых отходах ТЭС и ТЭЦ содержание токсичных, потенциально токсичных и тяжелых металлов, в т. ч. потенциально промышленно значимых микро- и макроэлементов и их соединений, в несколько раз выше по сравнению с исходными углями [2]. Таким образом, золошлаки, накапливаясь в золоотвалах в значительных объемах (по масштабам накопления сопоставимы с объемами добычи руд на крупных месторождениях горнохимического сырья), создают реальную угрозу загрязнения почв, водоемов, атмосферного воздуха, но в то же время могут представлять промышленный интерес как нетрадиционное техногенное сырье [1-2].
В связи с этим проведена комплексная оценка золошлаковых отходов от сжигания углей в свете современных требований, предъявляемых к отходам производства с точки зрения экологической опасности для окружающей природной среды, а также возможности и направлений их утилизации.
Объекты исследования - золошлаковые отходы, образующиеся при сжигании углей на Хабаровской ТЭЦ-3.
Основным топливом для энергетических котлов изученной теплоэлектроцентрали служит каменный уголь Нерюнгринского и Ургальского месторождений. За год на ТЭЦ-3 образуется более 300 тыс. т ЗШО (например, за 2012 г. на ТЭЦ-3 образовано 318,876 тыс. т золошлаков, а за 2011 г. - 308,193 тыс. т). Золошлаки размещаются на золоотвалах № 1 и № 2. Золоотвалы Хабаровской ТЭЦ-3 расположены на пойменной террасе реки Амур между протокой Хохлатская и левым берегом реки Березовой, в районе с. Федоровка Хабаровского района. Примыкающий к ТЭЦ район - населенная равнина и пахотные земли Хабаровского района. В настоящее время золоотвал № 1 не эксплуатируется, его заполнение прекращено в 2010 г., но рекуль-
тивация не завершена до сих пор. Нерекультивирован-ный отработанный золоотвал является источником поступления в атмосферу золы вследствие ветровой эрозии его поверхности, причем вынос с одного гектара золоотвала может достигать нескольких сотен тонн в год, а пылевое облако распространяться на несколько километров [3].
Золоотвалы Хабаровской ТЭЦ-3 представлены ар-тииндустратами в виде темной дисперсной массы с обломками шлака черного, серого, реже беловатосерого цвета, пористой, пемзовой, ноздреватой и плотной текстуры размером 0,01-3,00 мм [4].
Проведенные исследования показали, что ЗШО Хабаровской ТЭЦ-3 до глубины 60 см представлены суглинками средними и суглинками легкими. Преобладающая фракция - пыль крупная (37-49 %), за ней следует фракция мелкого песка (16-27 %). Илистая фракция весьма незначительна, всего 1-2 %.
Слой 60-70 см представлен супесью с преобладанием в составе до 75 % мелкой пыли и очень малой долей (до 1 %) илистой фракции. По данным гранулометрического анализа содержание физической глины постепенно уменьшается вниз по профилю: от 35 % в слое 0-19 см до 26 % в слое 37-60 см и 10 % в слое 6070 см. Микроагрегатный анализ выявил преимущественное содержание двух фракций - среднего песка и крупной пыли - и подтвердил результаты гранулометрического анализа. Учитывая, что илистая фракция составляет 1-2 %, а допустимая не размывающая скорость водного потока находится в пределах всего
0,086-0,102 м/с, золошлаки Хабаровской ТЭЦ-3 являются уязвимыми и их противоэрозионная стойкость неудовлетворительная.
В связи с эрозионной уязвимостью исследуемых ЗШО определены содержание в них токсичных металлов ^п, Cd и Pb, имеющих первый класс опасности, а также Си и № - второго класса опасности и Мп, V -третьего класса опасности) и их геохимическая структура, которая описывается радиальным поведением изучаемых показателей.
Важнейшим показателем, характеризующим радиальную структуру объектов исследования, является
1733
коэффициент радиальной дифференциации (Я), представляющий собой отношение содержания химического элемента в объекте исследования к его содержанию в почвообразующей породе, последнее принято согласно кларкам почв [5-6].
Наибольшей радиальной дифференциацией на зо-лоотвале обладают РЬ, Бг, Си и С(1, а наименьшей - V, Мп и N1 (рис. 1). Этот показатель позволяет подтвердить накопление в ЗШО РЬ, Бг, Си, 7п, Со и С(1 (Я > 1,0) и вынос V, Мп и N1 ^ < 1,0) в профиле по сравнению с кларками почв.
Измерения массовой доли химических элементов в золошлаках свидетельствуют о том, что в них содержится значительное количество тяжелых металлов и токсичных элементов (табл. 1).
Анализ представленных данных показал следующее.
1. По убыванию содержания в разрезе, заложенном на золоотвале, элементы можно расположить в следующий ряд: для слоев 0-19 см и 19-37 см: А1 > Ее
> К > Са > Mg > N > Мп > Бг > 7п > РЬ > Си > V > N1
> Co > Cd; для глубины 37-60 см: Al > Fe > Ca > K > Mg > Na > Mn > Sr > V > Zn > Cu >Pb > Ni > Co > Cd; для слоя 60-70 см: Fe >Al > K > Ca > Mg > Na > Mn > Sr > V > Cu > Zn > Ni > Pb > Co > Cd. По составленным рядам видно, что в слоях 0-19 см и 19-37 см последовательность элементов по убыванию содержания компонентов идентична, а в нижних слоях она изменяется, что свидетельствует о количественных изменениях состава золошлаков в зависимости от времени и глубины залегания.
2. Содержание K, Co, Mn, Fe и V в нижнем горизонте превышает содержание в верхнем горизонте, что свидетельствует о миграции химических элементов по профилю золошлаковых отходов.
3. Al и Cd в большей степени накоплены в верхнем горизонте, и отсутствует их миграция в нижний горизонт.
4. Максимальная концентрация Mg, Pb, Zn и Cu отмечается в горизонте 19-37 см золоотвала.
5. Содержание Ca, Sr, Ni и Na максимально в слое 37-60 см, что свидетельствует о миграции химических
Рис. 1. Коэффициент радиальной дифференциации элементов в ЗШО
Таблица 1
Химический состав ЗШО Хабаровской ТЭЦ-3, мг/кг [4]
Глубина слоя, см Mg Al K Ca Co
0-19 5221,4 120592,4 11570,3 10330,6 10,75
19-37 6680,8 120510,4 12131,3 10242,2 11,05
37-60 5114,5 94878,7 13591,4 15298,6 11,07
60-70 5638,1 80354,2 14074,8 8886,0 11,17
Глубина слоя, см Sr Pb Cd Ni Zn
0-19 402,92 61,93 0,30 25,86 74,54
19-37 405,70 65,54 0,28 23,93 78,26
37-60 409,33 45,58 0,21 29,73 58,11
60-70 285,56 19,90 0,08 28,91 48,03
Глубина слоя, см Mn Fe Cu Na V
0-19 573,59 63753,7 50,80 1587,2 48,63
19-37 685,84 75369,1 54,39 2261,9 43,25
37-60 570,77 64276,9 52,04 3154,3 65,64
60-70 695,88 109871,2 48,10 2328,5 94,94
1734
элементов по профилю ЗШО, связанной с уменьшением рН среды по сравнению с верхним слоем золошлакового разреза.
Для оценки степени загрязнения золошлаковых отходов использовались:
- коэффициент концентрации загрязняющих элементов в почве
Ki = Ci 1 СПДК»
где Ci - средняя концентрация загрязняющего элемента в объекте исследования, мг/кг; СПдЮ - предельно допустимые концентрации (ориентировочно-допустимые концентрации) загрязняющих элементов в почве в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06 [6] и ГН 2.1.7.2511-09 [7];
- суммарный показатель химического загрязнения почв тяжелыми металлами:
Z = К! + К2 + .... + К„ - (п - 1),
где п - количество учитываемых тяжелых металлов;
- суммарный показатель загрязнения (Zc).
=£ Ko - (n -1),
где КО - коэффициент опасности; п - количество элементов, концентрация которых превышает предельно допустимые значения.
В золошлаковых отходах выявлены превышения ПДК только по содержанию свинца в 1,42-2,05 раза (рис. 2). Суммарный показатель химического загрязнения почвенного разреза колеблется от -0,79 до -2,32. Степень загрязнения изученного разреза согласно СанПиН 2.1.7.1287-03 (с изменениями на 25 апреля 2007 г.) [8] допустимая. Суммарный показатель загрязнения (Zc) золошлаков изменяется от 3,68 до 5,21, что свидетельствует о минимальном уровне загрязнения и относительно удовлетворительной экологической обстановке на золоотвале.
Силикатным анализом установлено, что золошлаки Хабаровской ТЭЦ-3 характеризуются высоким содержанием оксидов кремния и алюминия и более низким -оксидов кальция и магния. Оксиды алюминия и железа могут являться предметом извлечения. Информацию об определенных свойствах и соотношении главных компонентов дают следующие важные классификационные признаки материала: модуль основности (гидравлический модуль) - МО, равный в среднем 0,06; силикатный (кремнеземистый) модуль - Мс, составляющий
& 0,02 Р-щ
QJ
и 5,00 i
О ’ л
W \ 1
Н М
§■ 0,00 К
I Cd фо,32* 19-37см
Zn ' ' 0-13 см
Си
Элемент у
Рис. 2. Коэффициенты концентрации элементов в золошлаках
в среднем 3,19; коэффициент качества (гидравлическая активность) - К, равный 0,27 (среднее значение) [4].
Подтверждена возможность применения золошлаковых отходов Хабаровской ТЭЦ-3 в производстве бетонов и строительных растворов, т. к. в них содержится MgO не более 5 %, Na2O + К2О в диапазоне 1,53 % и SiO2 (> 40 % по массе). Содержание в золошлаках Al2O3, равное 15-35 %, и число пластичности ЗШО (> 7) свидетельствует о возможности использования данных отходов в производстве глинозольного керамзита.
Таким образом, полученные данные подтверждают возможность применения золошлаковых отходов как сырья для производства кирпича, зольного гравия, а также в качестве гидравлической добавки. В основном их можно использовать в качестве техногенных грунтов и в дорожном строительстве.
Удельная активность естественных радионуклидов (ЕРН) (40K, 232Th, 226Ra) в ЗШО на золоотвале изменяется в следующих пределах: 40K - от 124,7 до 403,5 Бк/кг, 226Ra - от 21,8 до 81,75 Бк/кг, 232Th - от 25,65 до 105,1 Бк/кг (рис. 3). У ЕРН установлено неравномерное распределение по горизонтам на золоотвале. 226Ra и 232Th достаточно подвижны, а 40K накоплен в самом верхнем горизонте, и отсутствует его миграция в нижние горизонты.
Для оценки возможности применения золошлаков в строительных целях рассчитана удельная эффективная активность ЕРН (Аэфф) - суммарная удельная активность ЕРН в материале, определяемая с учетом их биологического воздействия на организм человека, по формуле:
Аэфф = ARa + 1,31 xATh + 0,085 xAK
где ARa, ATh, АК - удельные активности радия, тория, калия, соответственно, Бк/кг. Для золошлаковых отходов Хабаровской ТЭЦ-3 Аэфф варьирует от 66,001 до 253,73 Бк/кг, что не превышает требований НРБ-99/2009 для строительных материалов.
Следовательно, возможно применение золошлаков во всех видах строительства, класс ЗШО как строительного материала - I.
При оценке влияния золошлаков на экологическое состояние окружающей природной среды и выборе направления использования золошлаков большое значение имеет класс опасности данного отхода. Класс опасности данных отходов определялся двумя методами:
Естественный раднонутанд
Рис. 3. Содержание радионуклидов в разрезе на золоотвале
1735
- расчетным, основанным на определении величины суммарного индекса опасности К, определенного по сумме показателей опасности веществ, составляющих отход (К,). Показатель К, для золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3 составляет в среднем 7,903 < 10, следовательно, отход относится к 5-му классу опасности;
- методом фитотестирования. В соответствии с показателем ЕЯ50 (0,0095-0,0097) степень опасности отхода по фитотоксичности может быть оценена как малоопасная. Отсутствие фитотоксичного эффекта подтверждает возможность применения ЗШО в качестве добавки в удобрение.
Согласно полученным данным, самым оптимальным решением проблемы уменьшения объемов накопления золошлаковых отходов в отвалах является их комплексная переработка с получением ценной продукции: строительные материалы, уголь (пригодный для сжигания на ТЭЦ), микроудобрения и ряд металлов. Основу этой комплексной переработки должно составлять последовательное ступенчатое извлечение полезных компонентов золошлаков: тяжелых цветных и токсичных металлов, железа, несгоревшего угля и использование остатка в качестве строительных материалов.
Внедрение комплексной переработки золошлаков, накопленных в отвалах и постоянно образующихся при сжигании угля, позволяет решать следующие проблемы: экологические (предотвращенный экологический ущерб от загрязнения почвенного покрова и отчуждения территории); экономические (получение ценной продукции); социальные (создание новых рабочих мест и удовлетворение спроса на разнообразную продукцию).
Таким образом, анализ состава и свойств золошлаковых отходов Хабаровской ТЭЦ-3 свидетельствует о возможности использования их в качестве вторичного ресурса. Физико-химические свойства золошлаковых отходов и низкая удельная активность естественных радионуклидов позволяют применять их во всех видах строительства (класс как строительного материала - I, как отхода - V). Внедрение комплексной схемы переработки, позволяющей получать металлы, вторичный
уголь, глинозем, удобрения и строительные материалы, позволит высвободить занимаемые отвалами площади, понизить негативное воздействие на окружающую среду и обеспечит экономический, экологический и социальный эффекты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бочаров В.Л. Геоэкологические аспекты прогноза изменения окружающей среды в районах полигонов захоронения золошлаковых отходов теплоэлектростанций // Вестник Воронежского университета. Геология. 2005. № 1. С. 233-240.
2. Мязина В.И. Эколого-технологическая оценка золошлаковых отходов тепловых электростанций Восточного Забайкалья: авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. Чита, 2004.
3. Рекомендации по рекультивации отработанных золошлакоотвалов тепловых электростанций: РД 34.02.202-95. М., 1997. 7 с.
4. Черенцова А.А., Майорова Л.П. К вопросу утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ (на примере Хабаровской ТЭЦ-3) // Вестник Тихоокеанского государственного университета. 2013. № 4 (31). С. 101-106.
5. Добровольский В.В. Биогеохимия мировой суши. М., 2009. 440 с.
6. Башкин В.Н. Биогеохимия: учеб. пособие. М., 2008. 423 с.
7. Почва, очистка населенных мест, отходы производства и потребления, санитарная охрана почвы: предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: ГН 2.1.7.2041-06. 4 с.
8. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве: ГН 2.1.7.2511-09 / Зарегистрировано в Минюсте РФ 23.06.2009 г. № 14121. 5 с.
9. Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы и грунтов: СанПиН 2.1.7.1287-03. М., 2003. 14 с.
Поступила в редакцию 3 июля 2014 г.
Cherentsova A.A. ECOLOGICAL AND TECHNOLOGICAL EVALUATION OF COMPOSITION AND PROPERTIES OF ASH WASTE (FOR EXAMPLE, KHABAROVSK HEAT AND POWER)
The physical-mechanical properties and chemical composition of the ash waste generated by burning coal are researched. The estimation of the degree of contamination of the ash dump by calculating the total index of chemical contamination by heavy metals and the determination of specific effective activity of natural radionuclides is given. The analysis of the elemental and quantitative changes in the composition of ash at different depths is made. The class of dangerous ash waste is stated. The most appropriate ways of using heat and power plant ash Khabarovsk is set.
Key words: slag waste; assessment; composition; properties and application.
Черенцова Анна Александровна, Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск, Российская Федерация, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры экологии, ресурсопользования и безопасности жизнедеятельности, e-mail: anna_cherencova@mail.ru
Cherentsova Anna Aleksandrovna, Pacific State University, Khabarovsk, Russian Federation, Candidate of Biology, Senior Lecturer of Ecology, Resource Use and Life Security Department, e-mail: anna_cherencova@mail.ru
1736
