Оценка и прогноз геохимического загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами под воздействием шлаковых отвалов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 304 064 - 550 4

А.И.Семячков

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ГЕОХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ШЛАКОВЫХ ОТВАЛОВ

Становление и развитие городов на Урале предопределено наличием крупных месторождений руд черных и цветных металлов. Добыча и переработка рудного сырья сопровождается складированием на поверхности больших масс диспергированных пород в отвалах и шламохранилищах, которые на территории горноскладчатого Урала занимают огромные площади. В этих техногенных образованиях концентрация ряда элементов (в основном металлов) превышает кларксвые в десятки и сотни раз. При взаимодействии с внешней средой происходит их вынос из субстрата и геохимическое рассеяние. И>ггенсивность такого рассеяния зависит от многих факторов, а его последствия могут оказать вредное воздействие на природную среду и здоровье человека.

Классическим примером горнопромышленного центра является Н. Тагил. Его местоположение и развитие предопределено крупными месторождениями железных руд: Высокогорским, Лебяженским, Естюнинским. Переработка руды осуществляется на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате (НТМХ). На территории города складировано более 100 млн тонн отходов горного (отвалы векрышных пород и забалансовых руд); обогатительного (хвостохранилища) и металлургического производств (шлаковые отвалы).

Целью работы , выполняемой сотрудниками Уральской государственной горно-геологической академии, являлась оцс:о<а воздействия шлаковых отвалов на все элементы природной среды: воздух, почвы, поверхностные и подземные воды.

Основные задачи, решаемые в ходе исследований:

1. Выявление приоритетных элементов, загрязняющих природную среду от источника загрязнения.

2. Оценка уровня загрязнения природных сред; воздуха, почвы, поверхностных и подземных

вод.

3. Прогноз загрязнения природных сред.

4. Разработка мероприятий по огижгнмю негативного влияния оггвалг»в на окружаюи/ую греду

Шлаковые отвалы НТМК находятся на северо-восточной окраине г. Н. Тагила и состоят из

отзала доменных шлаков и отвала сталеплавильных шлаков. Оба отвала являются действующими, функционируют с 1949 года. Длина отвалов 1200 метров, ширина около 1000 метров. В настоящее время в отвалах содержится около 55 млн тонн отходов. По гранулометрическому составу отвалы очень неоднородны. Здесь имеются валуны диаметром до 2 метров и тонкодиспсрсная фракция.

Отходы НТМК имеют следующий химический состав: оксиды кремния (SiO, - 10-30%), кальция (СаО - 30-40%), алюминия (Al.O, - 5-15%), магния (MgO - 10-15%)- Кроме того, в шлаках присутствуют соединения натрия и калия, железа, титана, марганца, ванадия, хрома, цинка, меди и кобальта. Содержание кремния, кальция, магния, алюминия, натрия и калия в отвалах не превышает кларковые значения этих элеме»ггов в земной коре. Кроме того, они являются не токсичными. Содержание "тяжелых металлов" в отвалах резко превышает содержание их в литосфере, и, следовательно, они могут быть потенциальными загрязнителями окружающей среды.

Загрязнение окружающей природной среды под влиянием шлаковых отвалов НТМК происходит аэрогенным и гидрогеш{ым путем /2/. Аэрогенное загрязнение связано с выпадением компонентов из воздушных потоков. Специфика такого загрязнения определяется метеорологической обстановкой территории, включающей ветровой, термический режимы и режим атмосферных осадков.

Загрязнение воздушного бассейна под воздействием отвалов оценено косвенно - по результатам снеговой съемки, которая была проведена в начале марта 1995 г. Пробы снега отбирались по всему периметру отвала на расстоянии от него 25, 50, 100, 250 и, если возможно, 500 м. В лабораторных условиях по всем отобранным пробам анализировалось количество грубодисперсных частиц (взвесей, пыли) и содержание исследуемых "тяжелых металлов" в талой воде.

В результате пыления отвалов в приотвальной части формируется поток рассеяния шириной около 1 км со средней пылевой нагрузкой около 1500 кг/км2 в сутки,что примерно в 75-150 раз превышает фоновую. Особенностями потока рассеяния от отвала являются его динамичность,

199

неустойчивость состава и концентрации. Наибольшая пылевая нагрузка приурочена к > выгрузки шлаков и мартеновской пыли, т.е. в северной и восточной части отвала, которая п] здесь 1000 кг/(км2 • сут). Поток рассеяния имеет наибольшую протяженность в оеверо-восп направлении, так как преобладают юго-западные ветры. Среднее значение пылевой нагрузки дисперсия уменьшаются в удалении от отвала. При периметре отвала около 6 км и ширине рассеяния около 1 км площадь аномальной пылевой нагрузки составит 6 км2. В эту зону ежесу; транстюртируется воздушным потоком около 9 тонн пыли, или ежегодно 3285 тонн, что 1 % отгружаемых в отвал отходов.

Содержание тяжелых металлов в пыли, рассеиваемой отвалами, превышает их содерз среднем по европейской части России в 10-50 раз, а нагрузка этих элементов увеличивается чем в тысячу раз (табл.1).

Загрязнение почв, как и загрязнение воздуха, осуществляется от отвалов аэрогенным пу но в отличие от воздушного бассейна, который является транспортирующей средой, почва выпал депонирующую функцию с образованием устойчивых ореолов загрязнения.

Таблица 1

Концентрации тяжелых металлов в пылевых выпадениях из атмосферы

Элемент У столов на р.Ольховке В среднем по европейском

част России (по Ю.В.Саегу)

содержание среднесуточна* содержание среднесуточна«

в пыляX, нагрузка, в пылдх, нагрузка.

мг/кг кг/км2 мг/кг кг/км:

Железо 86200 113.13

Ванадий 1300 2.6 64 0.000640-0.0011:

Титан 10800 13.45 - -

Марганец 3700 5.57 570 0.0057-0.0114

Хром 2700 3.67 50 0.0005-0.001

Медь 270 0.44 80 0.0008-0.0016

Цинк 600 0.73 70 0.0007-0.0014

Кобальт 200 0.38 7 0.00007-0.00014

Пробы почв отобраны по всему периметру отвалов на расстоянии от него 25, 50. 100, 250 и 1 500 м. Опробование произведено из горизонтов А и В соответственно с глубины 5 и 25 см.

Лабораторные работы включали исследование содержания тяжелых металлов в почвах: Бе. Мп, *П, V, СгЗ+, Си, Ъх\ и Со. По первым четырем элементам согласно ГОСТ 17.4.2.01-83 изучено валовое содержание, а по остальным - подвижные формы. Кроме этого, определялось рН и ЕЬ среды с помощью потенциометра.

Обработка результатов полевых и лабораторных исследований показала, что концентрация тяжелых металлов в горизонте А выше, чем в горизонте В, и выше среднего содержания по району г.Н.Тагила, причем это различие особенно резко выражено по содержанию подвижных форм тяжелых металлов (Сг, Хп, Си и Со). Это можно объяснить окислительной обстановкой и нейтрально-щелочной средой. В этих условиях цветные тяжелые металлы находятся в умеренно подвижной форме [4]. Слабощелочная среда у отвалов обусловлена их влиянием, а именно: содержанием в пыли окислов кальция, которые, гидролизуясь, раскисляют почву. Валовое содержание тяжелых металлов в почвах обусловлено интенсивностью пылевой нагрузки.

Содержание железа, марганца, титана и цинка в почвах горизонтов А и В близко к предельно допустимому. По ванадию, хрому и кобальту почва загрязнена умеренно, что превышает ПАК в 5-10 раз. Концентрация меди в почвах очень высокая. Интенсивность ореола загрязнения совпадает с повторяемостью ветров.

Аэрогенным загрязнителем воздуха и почв от отвалов является пыль. Эго происходит как при выгрузке шлаков, так и в результате ветровой эрозии самих отвалов, что и предопределяет основные природоохранные мероприятия. С пуском комплекса по переработке шлаковых отвалов НТМК в 1996 г. производительностью 3 млн. тонн в год возможно изменение технологии складирования отходов, которая сводится к разработке внутреннего карьера в отвале и складированию в нем

200

шлаков автомобильным транспортом. При этом карьер будет постоянно развиваться, так как производительность комплекса в 5-7 раз выше объема складируемых отходов.

Процесс транспортировки загрязняющих веществ от отвалов шлаков идет также водным путем. Главными объектами загрязнения при этом потенциально являются поверхностные и подземные воды. Вынос загрязняющих веществ из шлаков происходит при взаимодействии их с атмосферными осадками или поверхностными водами р.Ольховки. В первую очередь процесс выноса определяется условиями "омывания" шлаков водой, количеством и режимом атмосферных осадков, скоростью и расходом поверхностных вод, температурой, рН и ЕЬ среды.

Во-вторых процесс выноса определяется характером самих шлаков - их дисперсностью, пористостью, что обусловливает размер площади взаимодействия шлаков с водой.

В-третьих, спецификой самих элементе«, взаимодействующих с водой.

Процесс выноса загрязняющих веществ из шлаков происходит без нарушения их структуры, поэтому его следует относить к выщелачиванию. Способность шлаков выщелачивать те или иные загрязняющие ингредиенты исследована в химической лаборатории УГГГА по методике, описанной в работе (4), и по разработкам автора. Для характеристики процесса выщелачивания из шлаков при фильтрации необходимо знать начальное удельное объемное и начальное удельное весовое (г/г) количество растворимого вещества, максимальную растворимость в воде содержащегося в шлаке твердого вещества Сгем, а также константу скорости растворения (коэффициент выщелачивания вещества) (1/сут). Лабораторные опыты по определению этих параметров проводились на трех шлаках; доменном, .мартеновском, конверторном, а их результаты приведены в табл. 2.

Анализ табл.2 показывает, что наибольшим загрязняюгцим эффектом обладает доменный шлак, а наибольшей скоростью выщелачивания - черные металлы: железо, ванадий и марганец. Цветные металлы из шлаков выносятся достаточно долго (десятки лет).

Загрязнение поверхностных вод исследовано по р.Сухой Ольховке, являющейся временным водотоком VI порядка. Русло реки нз протяжении 200-300 м завалено отвалом мартеновских шлаков.

Таблица 2

Результаты расчетов параметров выщелачивания шлаков

Шлак Элемент Удельное Удельное Максим. Константа

весовое объемное раство- скорости

количест- количество римость, растворения

во,!^ раствор, вещества мг/кг 1/сут

Доменный Ре 0.065 0.0065

Со • 0.00016 0.000014 0.111 2476.55

г* 0.001 0.00011 0.28 10103.8

См 0.0002 0.000018 0.226 18256.9

V 0.01 0.0013 1.85 1449.8

Мп 0.0023 0.00024 1.0 5644.02

Мартеновский Ре 0.038 0.0072 4.0 158.8

Со 0.0001 0.0000216 0.11 5886.2

0.00114 0.000297 0.59 769.9

Си 0.00015 0.000032 0.08 2670.6

V 0.022 0.0068 1.28 39.6 '

Мп 0.0131 0.00329 0.83 213.6

Конверторный Ре 0.1817 0.053 3.68 639.6

Со 0.00023 0.000059 0.125 13668.9

Ъп 0.0009 0.00029 0.12

Си 0.0003 0.000076 0.085 10036.2

V 0.0022 0.00084 0.76 2364.7

Мп 0.01155 0.0035 0.57 2218.37

Загрязнение р.Сухой Ольховки осуществляется за счет выноса загрязняющих веществ из пыли дождевыми и талыми водами с территории, прилегающей к отвалу, а также выщелачивания их

201

непосредственно из шлаков при прохождении воды через отвал. Исследование заключ проведении режимных наблюдений за химическим составом реки до отвала и после отвала в года. Анализ гидрохимической обстановки реки до и после отвала показал, что воздействие на содержание тяжелых металлов в р.Сухой Ольховке проявляется в увеличении содержания после отвалов. Причем увеличение концентрации железа и ванадия происходит за счет выноса из самого отвала при движении по нему воды реки. Формирование загрязнения по марганцу, цинку и кобалыгу происходит, главным образом, из пыли, рассеянной по территории, при к отвалу.

В настоящее время разработаны принципы прогнозирования качества воды водоемов /5/ основе теории смещения, когда в водоем или в водоток сбрасывают сточные воды с оп ре деле: расходом. Специфика данного случая заключается в том, что сброса, как такового, сточных вод а качество воды реки заметно ухудшается.

Прогноз заключается в определении максимально возможных концентраций в загрязняющих веществ после ее взаимодействия с отвалом. Для прогнозирования необходимо максимально возможную концентрацию реки до отвала (фоновую), используя метод довер пределов. ч

Если взаимосвязь содержания компонента до и после отвала тесная (коэффициент корре высокий), то максимальную (прогнозную) концентрацию вещества в реке после отвала можно определить, используя уравнение регрессии

Свм = а+ Ь где а и Ь - коэффициенты уравнения регрессии. •

Если эта взаимосвязь невысокая, то максимальную концентрацию в реке после отвала можно определить по формуле

где кп - коэффициент повышения концентрации за счет выщелачивания.

Анализ табл.3 показывает, что шлаковые отвалы оказывают существенное влияние на концентрации элементов в реке Сухой Ольховке. Фактические и прогнозные (максимально возможные) концентрации тяжелых металлов в реке могут превышать предельно допустимые концентрации в десятки и сотни раз.

Таблица 3

Исходные данные и результаты расчета прогнозных значений концентрации загрязняющих веществ в р.Сухой Ольховке после отвала

> •

Ингредиенты

Река ао отвала

среднее мг/л

стандарт мг/л

Роса после отвала

среднее мг/л

стандарт мг/л

Коэффициент повышенна,

кп - Спл/Сда

Коэффицисн корреляции между содержанием до и после стала_

жокаа

Уравнение ^Ч» регрессии концентрация мг/л

Прогноз значен., Спр., мг/л

Железо

Марганец

Ванадий

Медь

Цинк

Кобальт

О

1.94 0.24 .31 0.032 0.05 0.024

4.83

0.275

0.25

0.0043

0.07

0.016

3.03

0.23

0.8

0.04

0.057

0.058

4.28 0.25 0.85 0.048 0.061 0.069

1.56 0.96 2.58 1.25 1.14 2.42

0.74 Сп=0.07+0.67Сф

0.935 Сп=-0.29+10.4 ЗСф 0.932 Сг1=0.016+0.81 Сф 0.642 Сп±=-(Х008+2.77Сф

4.88

0.408

0.46

0.034

0.093

0.034

7.62

0.34

1.19

0.065

0.092

0.086

Основным водоносным горизонтом под шлаковым отвалом является зона региональной трещиноватости эффузивных пирокластических пород: базальтовых, андезито-базальтовых, трахиандезито-базальтовых, диабазовых порфиритов и их туфов. Мощность водоносного горизонта зоны региональной трсщиноватости составляет 30-50 м. Коэффициенты фильтрации равны 0.1-0.5 м/сут.

Загрязнение подземных вод от отвала происходит в результате выщелачивания загрязняющих компоне>пх>в атмосферными водами и инфильтрации их через площадь отвала до уровня грунтовых вод. Интенсивность такого загрязношя зависит от способности элементов к выщелачиванию, фильтрационного расхода атмосферных вод и защитных свойств зоны аэрации. Обогащенные

202

загрязняющими веществами в результате выщелачивания атмосферные осадки поступают на подошву отвала, сложенную глинистыми образованиями. Движение загрязняющего вещества через них будет определяться двумя процессами: конвективным и диффузионным массопереносом, осложненными адсорбцией загрязняющего вещества на породах. После прохождения глинистого слоя загрязняющее вещество попадает в подземные воды и создается реальная угроза загрязнения водозаборов.

Защищенность подзелшых вод определяется тремя показателями зоны аэрации: глубиной залегания подземных вод, мощностью слабопроницаемых отложений в разрезе, фильтрационными свойствами пород Кроме перечисленных факторов, существенную роль играют активная пористость и сорбционные свойства пород. Анализ фактического материала показал, что зона аэрации под отвалом характеризуется второй категорией защищенности подзелшых вод по В.М.Гольдбергу [3]. Это соответствует времени прохождения загрязненных атмосферных осадков с подошвы отвалов до уровня подземных вод в течение 10-50 суток. Однако это действительно для несорбирующихся компонентов (С1, N0,' - исследуемые тяжелые металлы активно поглощаются глинистыми образованиями.

Прогноз загрязнения подзелшых вод заключается в оценке времени прохождения загрязненных атмосферных осадков с подошвы отвала до уровня подзелшых вод и определения возможных концентраций загрязняющих ве1цеств в подзелшых водах. Расчет времени прохождения атмосферных осадков до УГВ произведен для схемы конвективного массопереноса несорбируемого (С1, N0,) и сорбируемого компонентов (исследуемых тяжелых металлов). Анализ загрязнения подзелшых вод под отвалами показал, что концентрации, существенно превышающие фон в подотвальных подзелшых водах, имеются только по меди (в 3 раза). Содержание ванадия в подзелшых водах района (в том числе и подотвальных) выше санитарно-бытовых ПДК (0.1 мг/л). Основные параметры для расчета получены на основании статистической обработки результатов определения физических, фильтрационных и физико-химических параметров свойств зоны аэрации. К >гим относятся: активная пористость (1% от общей), коэффициент фильтрации и коэффициент Генри. Время прохождения несорбирусл!ЫХ компонентов (хлориды, нитраты) до уровня подзелшых вод составляет десятки суток, а сорбируелшх тяжелых металлов - десятки лет. В то же время оно меньше времени существования отвала (47 лет), что подтверждает возможность загрязнения подземных вод.

После прохождения зоны аэрации инфильтрующисся загрязненные атмосферные осадки попадают в грунтовый поток, где происходит их смешение и выравнивание концентраций. Прогнозную концентрацию загрязняющего вещества в подзелшых водах на выходе потока из-под отвала можно определить по формуле смещения, а результаты представлены в табл.4

где Сф - фоновая концентрация вещества в подзелшых водах района, /лг/л; С^ - концентрация вещества в загрязненных атмосферных осадках; п -кратность разбавления.

Таблица 4

Исходные данные и результаты расчетов прогнозных концентраций в подземных водах

Элемент Фоновые кою^ентрв-учч. мг/л СреАКМ кон-^екгршрш • гхиоттллкных •одах. мг/л Протеины с кокцекгра-учи подземных юл и» выходе ч>-под ОТМЛД, мг/л ПДК. мг/л

Железо 0.36 1.36 0.6 0.3

Марганец 0.082 0.32 0.14 0.1

Ванадий 0.46 0.19 0.4 0.1

Медь 0.017 0.064 0.028 1.0

Цикх 0.061 0.149 0.082 5.0

Кобальт 0.048 0.065 0.052 0.1

Анализ табл.4 показывает, что отвалы шлаков НТМК могут оказать влияние на увеличение содержания железа и лгарганца в подзелшых водах, концентрации которых могут превышать ПДК. На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Анализ складируемых отходов г отвале шлаков АО НТМК показал, что наиболее потенциально опасными, влияющими на окружающую среду, являются тяжелые металлы: железо, ванадий, титан,

203

марганец, хром, медь, цинк и кобальт.

2. Основным загрязняющим элементом воздуха от отвалов является пыль, содержащая высокие концентрации тяжелых металлов. Дальность и интенсивность пыления зависят от метеорология режима территории. Пылевая нагрузка в приотвальной зоне в 100-150 раз выше фоновой, концентрации тяжелых металлов в атмосфере превышают фоновые более чем в 1000 раз.

3. В результате пыления произошло интенсивное загрязнение почв в зоне влияния отвалов. Особенно оно значимо по меди и ванадию В целом территория вокруг отвалов по уровню загрязн почв относится к умеренно опасной зоне.

4. Наибольшим загрязняющим эффектом при гидрогенном загрязнении обладает доменный! шлак, а наиболее подвижными элементами являются железо и ванадий.

5. Гид роге иное загрязнение поверхностных вод происходит в результате сноса загрязняющих веществ с территории, окружающей отвал, и при прохождении потока воды р. Сухой Ольховк* через него. При этом концентрации загрязняющих веществ в реке становятся значительно выше рыбохозяйственных ПДК.

6. Влияние шлаковых отвалов на подземные воды вследствие малых расходов инфильтрационных вод, слабой выщелачиваемости элементов и слабых фильтрационных свойств зоны аэрации невысока Подземные воды могут быть загрязнены железом и марганцем.

БИБ ЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бочевер Ф.М., Лапшин Н.М., Ороэовсхая А.Е. Защита подземных вод от загрязнения.-М.. Недра, 1979. - 254 с.

2. Геохимия окружающей среды/Ю.Е.Сает, Б.А.Ревич, Е.П.Янин и др. - М: Недра. 1990. -335 с

3. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения.-М.: Недра, 1984. - 262 с.

4. Иванов Е.В. Экологическая геохимия эле/ленто в: Справочник. В 6 кк./Под ред. Э.К. Буренкова.-М.: Недра, 1994. - 303 с.

5. Родзиллер И.Д. Прогноз качества приемников сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. - 231 с.

УДК 556

Л.П. Парфенова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТВЕРДЫХ ШЛАМ О В В ОТНОШЕНИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ (НА ПРИМЕРЕ МАЛОСЕРНИСТОГО И СОРЬИНСКОГО ШЛАМОХРАНИЛИЩ)

В данной статье предложен один из путей оценки качества фильтратов, сформировавших под дном и дамбами обвалования двух крупнейших на Урале шламохранилищ, предназначенных для складирования отходов обогащения и металлургического производства меди. Объем накопленных отходов в Малосернистом шламохранилище составляет около 10 млн куб. метров, в Сорьииском -около 30 млн куб. метров.

Шламы представлены в виде суспензии переменной консистенции. Консистенция, или отношение весовых содержаний твердых и жидких фаз, меняется от 1 к 4 до 1 к 8. Жидкая фаза шламов содержится в форме минерализованных растворов (значение сухого остатка 3-6 г/(дм.куб.)) сульфатного состава с высокими содержаниями тяжелых металлов (в мг/(дм.куб.): меди до 5, железа до 30, цинка до 1,5, мышьяка до 9, а также фторидов до 85, фосфатов до 50 и пр. Она в силу своей высокой степени токсичности и считается основным источником загрязнения подземных вод.

По результатам гранулометрического состава в Малоссрнистом шламохранилище она представлена мелкими и пылеватыми песками и супесями, а в Сорьинском пылеватыми песками, в высокой степени неоднородными (см. рисунок). Средняя мощность накопленных твердых шламов составляет в шламохранилищах около метра и более двух метров соответственно, ^гот слой и создает тот искусстве}ашй противофильтрационный экран, з котором происходят основные процессы физико-химического взаимодействия твердых и жидких шламов. Скорости этих процессов вероятно

204