CC BY
37
--------------------------------------- © М.А. Пашкевич, М.В. Паршина
2004
УДК 662.88:502.65
М.А. Пашкевич, М.В. Паршина ОЦЕНКА НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОСНОВНЫХ ШЛАКООТВАЛОВ КОЛЬСКОЙ ГМК
Семинар № 7
~П районах расположения предприятий
-Я-М по добыче и переработке минерального сырья одним из основных источников нарушения и загрязнения различных компонентов природной среды являются техногенные массивы, что вызывает необходимость изучения их негативного воздействия. На территории России на полигонах, в отвалах, хвостохрани-лищах, шламонакопителях и несанкционированных свалках накоплено около 80 млрд т отходов производства и потребления, среди которых около 1,71 млрд т составляют опасные отходы. Складирование этих отходов ведет к возникновению на территориях площадью более 4 млн га неблагоприятных экологических ситуаций, проявляющихся в ухудшении санитарно-гигиенической обстановки, нарушении и видоизменении естественных ландшафтов, а также утрате природных ресурсов. К наиболее неблагополучным в этом отношении регионам России относится Мурманская область - один из центров горно-добывающей промышленности. В реки и озера попадают кислые промышленные и бытовые стоки, содержащие тяжелые металлы с комбинатов «Североникель» и «Пе-ченганикель». Основными источниками формирования кислых вод являютсяшахтные воды, стоки с хвостохранилищ, газовые выбросы, содержащие оксиды азота и сернистый газ.
В связи со сложившейся угрожающей ситуацией в этом регионе возникает необходимость разработки новых методов защиты окружающей среды на основе оценки риска негативного воздействия горных предприятий на различные компоненты природной среды, в первую очередь риска возникновения кислотных дождей, кислых поверхностных и подземных вод и последствий их воздействия на компоненты природной среды.
Наиболее значительной техногенной нагрузке подвергается природная среда в районах складирования сульфидсодержащих отходов. Вследствие окисления сульфидной серы про-
исходит формирование кислых дренажных вод и, соответственно, лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения с крайне низкими значениями показателя pH. Это приводит к полному уничтожению растительности, трансформации состава покровных отложений, поверхностных и подземных вод [2].
Основным источником формирования кислых вод в районе комбината «Североникель» являются газовые выбросы предприятия: сернистый газ и окислы азота. Также с газами выходят неорганическая пыль и тяжелые металлы: N1 - 250 т/год, Си - 125 т/год, Со -
9,5 т/год. Процесс металлургической переработки сырья в плавильных цехах сопровождается выделением двуокиси серы. В свободной атмосфере Б02 через некоторое время окисляется и до Б03; конечным продуктом фотохимического окисления под действием солнечного излучения является раствор серной кислота в дождевой воде. В настоящее время в атмосферу ближайшего города Мончегорска поступает свыше 180 тыс. т Б02 в год, что может привести к образованию 14 000 м3 Н2В04 в год.
Для разработки схемы рационального складирования техногенных отходов необходима полная информация о химическом составе вещества, слагающего отвал, миграции полезных и токсичных компонентов в окружающую среду при его формировании и хранении. В результате проведенных исследований разработана оптимальная схема получения таких данных от рутинных анализов, отражающих общие процессы, до локальных, позволяющих установить механизмы поведения элементов. На базе уникального оборудования лаборатории сформировано три последовательных основных этапа исследования:
1. разработка методик экспрессного, достоверного, воспроизводимого рентгенофлуоресцентного анализа как основы для боль-
шинства геологических, физико-хими-ческих, технологических работ;
2. разработка методик химической про-боподготовки и схем проведения атомноабсорбционного анализа в зависимости от требуемого предела обнаружения особо важного (полезного или токсичного) химического элемента при решении геологической или экологической проблемы, его поведения и механизма концентрации;
3. структурно-химические особенности твердых материалов на микроуровне, закономерности распределение и перераспределения химических элементов на межфазных границах и при изменении внешних условий, расшифровка механизмов трансформации минералов в природных и технологических процессах, исследование миграции токсичных элементов из твердого материала в окружающую среду с использованием методов РЭМ и РМА.
В результате выполнения исследований по данной схеме проводилась оценка содержания интересующих компонентов, их формы нахождения и технологические перспективы их извлечения и обогащения. Полученная информация является базовой для разработка схемы комплексного и рационального природопользования техногенных месторождений полезных ископаемых.
Основными твердыми промышленным отходами предприятия являются шлаки пироме-таллургического передела, образующиеся в объеме 100-150 тыс. т в год. Отвальные шлаки металлургического производства в основном состоят из двуокиси кремния и окиси железа, вредные примеси представлены Б, Сг, N1, Си, Со. Общий объем отвала составляет 39 млн т. Средневзвешенная плотность отвальных шлаков - 3,06 т/м3. Агрегатное состояние шлаков твердое, не пылящее. Проектная площадь, отведенная под шлакоотвал - 93,3 га, на данный момент занята более, чем на 80 %. Документально запротоколировано, что отходы относятся к четвертому классу опасности, то есть являются практически инертными. Проведенные исследования доказывают необходимость повышения класса опасности отходов, вследствие эрозии и гипергенных процессов.
Детальная проработка условий пробопод-готовки и измерений позволяет производить анализ низких содержаний тяжелых металлов в породах, рудах, нефтепродуктах с относительной погрешностью 5-10 %.
Подготовленные пробы анализировались в три этапа: 1) рутинным (РСФА) анализом, 2) специальным (ААС) анализом, 3) локальным (РЭМ, РМА) анализом. В качестве рутинного анализа нами использовался РСФА проб по фундаментальным параметрам с использованием спектрометра ED2000 (Oxford, Англия). В приборе используется кристалл с наилучшим для данного типа детекторов разрешением (лучше, чем 140 эВ при скорости счета 9000 импульсов в секунду). В качестве входного “окна” использована бериллиевая фольга толщиной 12 мкм. Импульсный процессор SMART собирает и обрабатывает рентгеновскую информацию. Он использует цифровые технологии, что обеспечивает лучшую точность и более низкие пределы обнаружения.
В результате исследований проводимых на рентгенофлюорисцентном спектрофотометре получено, что отвальные шлаки металлургического производства в основном состоят из двуокиси кремния и окиси железа, вредные примеси представлены S - 5-10 %, Cr - 0,4 %, Ni -
0,1 %, Cu - 0,2 %, Co - 0,05 %.
Поскольку технологическая задача сформулирована как оценка перехода загрязняющих элементов их шлаков в окружающую среду, использовался специализированный анализ методом ААС. Для этого были предварительно приготовлены вытяжки из проб, отобранных из отвала, согласно Nordic тесту. Материал образцов, измельченных до размера частиц менее 4 мм, помещался в контакт с дистиллированной водой, подкисленной до pH = 4 (что характерно для осадков района воздействия комбината) с помощью HNO3, и выдерживал-ся в течение 24 часов. Вытяжки анализировались на атомно-абсорбционном спектрометре AAS5EA фирмы AnalytikJena (Германия). Эксперимент показал, что вымываемость элементов значительно зависит от «возраста» образца отхода. Образцы отходов, образованных в начале функционирования отвала изначально содержат меньшее количество тяжелых металлов и соединений серы и хрома. Максимальная вымываемость была отмечена у проб отходов «среднего» возраста (15 лет) и составила примерно Cr 10-20 мг/л, Ni 1,5-2 г/л, Cu 5-8 мг/л, Со 0,5-1,5 мг/л, S 7-11 г/л. Интенсивность миграции
для рассматриваемых отходов увеличивается с увеличением трещиноватости отвала, которая достаточно быстро возрастает даже для отходов с высокой плотностью в тяжелых условиях
Рис. 1. Проба поверхностная (29 лет)
Рис. 2. Проба поверхностная (14 лет)
* *
0000 15 0КУ хне 100ЙЇ
Рис. 5. Проба поверхностная (2 года)
Рис. 3. Проба на
горизонте 20 см(2 года)
15 0Ки X158 1Є6НВ
Рис. 4. Проба на горизонте 20 см (2 года)
севера: большие перепады температур, сильные ветра и большое количество кислых осадков.
Миграция вредных веществ с территории техногенных массивов в различных геосферах происходит под влиянием различных факторов. Для гидросферы определяющими факторами являются параметры pH, ЕЙ, химические связи и гравитационные силы. Интенсивность миграции выражается скоростью перехода 1 г определенного элемента в подвижное состояние [4].
Миграция тяжелых металлов сильно увеличивается с повышением кислотности раствора. Вследствие сильного загрязнения воздуха диоки-дом серы осадки в данном регионе имеют относительно низкие значения pH.
Для понимания физико-химической обстановки в твердом веществе недостаточно определения валовых содержаний, как в случае жидких проб, так как твердое вещество в разной степени всегда гетерогенно, а жидкие системы относительно гомогенны. Поэтому для понимания физико-химических процессов, происходящих в твердых отходах требуется определение форм нахождения компонентов. С этой целью из образцов шлаков были изготовлены полированные аншлифы для изучения в
электронном микроскопе с последующим рентгеновским микроанализом (РМА).
Проведенный анализ проб на сканирующем электронном микроскопе показал, что вынос тяжелых металлов из отвала происходит не только под внешним воздействием кислых осадков. Пробы в общей массе состоят из силикатной основы с вкраплениями тяжелых металлов в различных формах (рис. 1). Образцы имеют два типа текстуры: массивную плотную и пористую пемзовидную. Текстура образцов, отобранных с поверхности, более гетерогенна (рис. 5). По всей плотной силикатной массе рассредоточена часть рудного вещества (рис. 3), представленная в виде самостоятельных кристаллов сульфидов железа, меди, никеля и их сростков. В пемзовидных участках сосредоточена наибольшая часть рудного вещества, генетически связанная с газовыми пузырями. Образование отвала происходить путем перелива из вагонеток на откос отвала горячего шлака, таким образом, в отвале образуются газовые пузырьки. Анализ рудного вещества внутри газовых пузырей показал, что металлы, направляемые в отвал в окисленной форме, взаимодействуя с газовыми включениями, восстанавливаются до сульфидов и даже до шарообразных вкраплений самородных металлов -N1, Си, Сг. Шарообразные выделения цветных
Рис. 6. Диаграмма вероятности образования кислых вод
металлов выявляют микрогетерогенность.
Наиболее яркие центральные области сложены преимущественно самородными металлами, более серые участки и оторочка «шариков» представлена сульфидами этих же металлов. Такие самородно-сульфидные выделения цветных металлов, попадая в зону гипергенеза, служат причиной формирования серной кислоты. Особенно интенсивно процесс восстановления металлов идет в наблюдаемых порах (рис. 2), однако отдельные «микрошарики» наблюдаются и в силикатной матрице (рис. 4). Из проведенных исследований становится очевидным, что в образцах, отобранных с поверхности, содержится большее количество рудных фаз, что генетически связано с большим содержанием газовых пузырьков. Таким образом, хранения отходов может привести к значительному попадания тяжелых металлов в окружающую среду. Также необходимо отметить, что шлак в целом изначально имеет высокую плотность, но в материале, находящемся в отвале более 15 лет, наблюдается значительная трещиноватость, что облегчает выход тяжелым металлам из сульфидной формы. Вследствие этого происходит не только загрязнение воды тяжелыми металлами, но понижает показатель pH. Если учесть, что объем отвала составляет 39 млн т, и соответственно, содержится N1 - 39 тыс. т, Си - 78 тыс. т, Со - 19,5 тыс. т, Сг - 156 тыс. т, Б - 3 млн т, загрязнения окружающей среды могут быть значительными.
Процесс формирования кислоты (скорость и пределы падения pH дренажных вод, вид зависимости концентрации ионов Н+ от времени pH = / ()) определяется: концентрацией сульфидных минералов в отвале; степенью кристаллизации сульфидных минералов; кристаллографией; активностью протекания биохимических процессов; содержанием в отходах и типом минералов, нейтрализующих кислотность (карбонатов, глинистых минералов, фельдшпатов, фосфатов) [1].
Основными трудностями исследований, проводимых в области формирования кислых дренажных вод пиритсодержащими отходами, являются: большое разнообразие сульфидсодержащих пород (гранулометрическое, кристаллографическое, минералогическое, хими-
К(Р(рН,4))
1
0,8---------Vй*11**
0,6-----------------------------
0,4-----------------------------
--------------------
10 20 30 40
ческое); эффект возобновления со временем процессов формирования ионов Н+ после нейтрализующей кислоту обработки пород и отходов.
Экологический риск воздействия техногенных массивов на природную среду является количественной характеристикой их опасности, выражается суммарной величиной рисков негативных воздействий на различные компоненты природной среды и определяет выбор рациональных систем защитно-дренажных сооружений, схем расположения мониторинговой сети, типа рекультивации, сроков проведения природоохранных мероприятий.
Риск техногенного воздействия является многофакторной величиной, характеризующей последствия этого воздействия, включающей в себя величину как фактического, так и возможного эколого-экономи-ческого ущерба от влияния конкретных негативных факторов с учетом вероятностей их воздействия. В случаях достоверных событий значения риска эквивалентны значениям ущерба [3].
Эколого-экономический риск воздействия техногенных массивов на природную среду (Я) предлагается определять как сумму рисков воздействия (Яу) на I компонентов природной среды (рецептеров, принимающих воздействие) с учетом возникновения ] последствий воздействия.
Эколого-экономический риск воздействия техногенных массивов на окружающую среду предлагается рассчитывать по формуле:
• = 1 у = 1
= кЯ
У:
(1)
(2)
где К * - коэффициент риска техногенного
воздействия на /-й компонент природной среды с учетом возникновения у последствий воздействия; Уу - эколого-экономический ущерб от возможного воздействия техногенного массива
на г-н компонент природной среды с учетом возникновения ') последствий воздействия.
Коэффициент риска предлагается определять вероятностью возникновения ] последствий при воздействии на г-й компонент (рв ) природной
среды в зависимости от степени уязвимости ре-цептера с7, которая определяется защищенностью компонентов природной среды (природной и технической); расстоянием от техногенного массива; физико-
географическими особенностями территории (роза ветров, средняя скорость ветра, направление и скорость водных потоков, температура, влажность воздуха и пр.):
(3)
Для отходов комбината вероятностью возникновения ] последствий можно назвать образование кислых вод, pH которых меньше 4, фонового значения кислотности (рис. 6). Анализируя вымываемость серы из твердых отходов за 30 лет функционирования комбината можно сделать следующие выводы:
1. вероятность образования кислых вод возрастает со временем функционирования от-
вала, за счет окисления серы в зоне гипергенеза;
2. через 15 лет с начала функционирования отвала вероятность образования кислых вод достигает максимума, но далее практически остается на одном уровне, за счет повышения трещиноватости вновь поступивших отходов.
Разработанная методология определения экологического риска позволяет количественно оценить опасность техногенных массивов и, соответственно, уровень экономических затрат, необходимых для ее предотвращения.
Таким образом, степень опасности техногенных массивов позволяет определить объем ассигнований, необходимых на предотвращение или нейтрализацию негативного воздействия в соответствии с которым разрабатываются конкретные инженерные и мониторинговые мероприятия (защитные, дренажные сооружения, станции очистки дренажных вод, схемы рекультивации, системы контроля и пр.), а также срок, в течение которого эти мероприятия должны быть реализованы.
Работы проводились при поддержке Американского фонда гражданских исследований и развития в научно-образователь-ном центре СПГГИ (ТУ) в рамках гранта БТ-01502.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Защита подземных вод от загрязнения в зоне техногенного воздействия горно-химического завода // В кн.: Рациональное использование недр и охрана окружающей среды. - Л.: изд. ЛГИ. - 1990. - С. 109-113.
2. Лукашов А.А. Экологические проблемы добычи и переработки сульфидных руд на Российском Севере. Горный жур. №2, 1997.
3. Оценка риска воздействия техногенных массивов на природные воды // В кн.: Научно-
педагогическое наследие профессора Медведева. - СПб.: изд. СПГГИ. - 1999. - С. 202-209.
4. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду. - СПб.: изд. Санкт-Петербургский горный институт, 2000.
я
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------
Пашкевич М.А. — доктор технических наук, профессор кафедры экологии, аэрологии и охраны труда, Паршина М.В. - аспирантка кафедры экологии, аэрологии и охраны труда,
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
УДК 539.16
В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов, М.В. Каймонов
© В.В. Киселев, Ю.А. Хохолов, М. В. Каймонов, 2004
