Научная статья на тему 'Оценка золошлаковых отходов как источник загрязнения окружающей среды и как источник вторичного сырья'

Оценка золошлаковых отходов как источник загрязнения окружающей среды и как источник вторичного сырья Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
2933
363
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ASH AND SLAG WASTE / АНАЛИЗ / ANALYSIS / ЗАГРЯЗНЕНИЕ / POLLUTION / ИСПОЛЬЗОВАНИЕ / USE / СОСТАВ / COMPOSITION / ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ / HEAVY METALS / ЗОЛОШЛАКОВЫЕ ОТХОДЫ

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Черенцова Анна Александровна, Олесик Светлана Михайловна

Выполнен анализ сведений о влиянии золоотвалов на природную среду и систематизация направлений использования золошлаковых отходов, а также проведены экспериментальные исследования на содержание тяжелых металлов в золошлаковых отходах золоотвала ТЭЦ-3 г. Хабаровска.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Черенцова Анна Александровна, Олесик Светлана Михайловна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EVALUATION OF ASH WASTE AS A SOURCE OF POLLUTION AND A SOURCE OF SECONDARY RAW MATERIALS

The analysis of information on the impact of ash disposal on the environment and ordering uses of ash waste, and carried out pilot studies on the content of heavy metals in the ash waste ash disposal

Текст научной работы на тему «Оценка золошлаковых отходов как источник загрязнения окружающей среды и как источник вторичного сырья»

© А.А. Черенцова, С.М. Олесик, 2013

УДК 502.5:504.064.47

А.А. Черенцова, С.М. Олесик

ОЦЕНКА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ КАК ИСТОЧНИК ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И КАК ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ

Выполнен анализ сведений о влиянии золоотвалов на природную среду и систематизация направлений использования золошлако-вых отходов, а также проведены экспериментальные исследования на содержание тяжелых металлов в золошлаковых отходах зо-лоотвала ТЭЦ-3 г. Хабаровска.

Ключевые слова: золошлаковые отходы, анализ, загрязнение, использование, состав, тяжелые металлы.

Введение

В настоящее время в Российской Федерации более двух третей общего количества электрической и тепловой энергии поставляют теплоэлектростанции (ТЭЦ), работающие на органическом топливе. В отдельных регионах, бедных гидроэнергетическими ресурсами, теплоэлектростанции до сих пор являются основным источником энергии. В результате работы этих станций образуется большое количество отходов, часто не подлежащих вторичному использованию и требующих безопасного захоронения на специальных полигонах [1, 2]. До последнего времени основное внимание уделялось строительству и эксплуатации полигонов твердых бытовых и радиоактивных отходов, захоронению жидких отходов в глубоко залегающих горизонтах осадочных горных пород, их геоэкологической оценке. Однако, как показали исследования последних лет, представляют опасность для окружающей среды и твердые золошлаковые отходы (ЗШО) теплоэлектростанций [1], которые среди техногенных образований занимают одно из первых мест по объемам, в результате чего формируются огромные площади золоотвалов [3]. Суммарное количество ЗШО зависит от вида топлива и составляет при сжигании бурого угля - 10-15;

каменного угля - 3-40; антрацита - 2-30; торфа - 2-30; дров -0,5-1,5; мазута - 0,15-0,2; сланцев - 50-80 % [4].

По данным Госкомстата России, на 1 кВт установленной мощности тепловых электростанций приходится в среднем 500 кг зол ош лаковых отходов, объем использования, которых не превышает для разных предприятий 20 % годового количества [5]. ТЭЦ средней мощности, работающая на экибастузских углях, образует до 1000 т золы [6]. При этом сама ТЭЦ средней мощности занимает 200-300 га, а площадь золоотвала через 10 лет эксплуатации ТЭЦ достигает 800-1500 га. Учитывая, что содержание ряда токсичных микроэлементов в золе ТЭЦ значительно превышает их среднее содержание в земной коре (например, мышьяк в 100 раз, бериллий в 60 раз), следует считать золоотвалы источником повышенной экологической опасности [6]. Скапливаясь в отвалах, они не только занимают большие участки городских земель, но еще и наносят ущерб окружающей среде [3, 7].

В целом в настоящее время на ТЭС, ТЭЦ и ГРЭС РФ образуется за год около 40 млн т золы и шлаков и накоплено более 1,5 млрд. т данных отходов [8]. При сжигании каменного угля на тепловых электростанциях ежегодно образуется свыше 20 млн т золы и шлаков [2]. Площадь, занимаемая золошлаковыми отвалами на территории РФ, составляет около 20 тыс. га и ежегодно увеличивается примерно на 4 % [9].

Годовое поступление золы в отвалы по Хабаровскому краю составляет до 1,0 млн т, по Приморскому краю - от 2,5 до 3,0 млн т в год. В пределах г. Хабаровска в золоотвалах хранится более 16 млн т золы [10].

В г. Хабаровске ежегодно на ТЭЦ сжигается до 4-5 млн т угля и складируется около 600 тыс. т ЗШО. Золоотвалы находятся в черте города и его пригородах и являются постоянным источником загрязнения окружающей среды [11]. Использование золы и шлаков местной промышленностью незначительное и не превышает 30-50 тыс. т в год. Более широкое использование ЗШО затруднено отсутствием в крае перерабатывающих производств, а также интенсивным пыле-, грязе- и газообразованием ЗШО [12]. Важно отметить, что на территории Хабаровского края работают около 30 предприятий по переработке и обезвреживанию отходов производства и потребления.

Но среди них нет лицензированных предприятий по переработке ЗШО [13, 14].

Так как в золошлаковых отходах содержится значительное количество опасных элементов, то их складирование негативно воздействует на все компоненты окружающей среды (рис. 1), создавая опасность загрязнения содержащимися в них токсичными веществами и тяжелыми металлами. В них сконцентрировано большое количество соединений алюминия, железа, хрома, марганца. Также зольные отходы содержат редкие и рассеянные элементы: ванадий, галлий, германий [2].

Аэрогенный вынос золошлакового материала обусловливает загрязнение приземного слоя атмосферы, а ассимиляция твёрдых частиц на прилегающей территории приводит к загрязнению почв и грунтов зоны аэрации [15].

Инфильтрационным потоком обусловлено вторичное загрязнение подземных вод подвижными в данных средах компонентами, а разгрузка подземного потока в естественные дрены вызывает загрязнение поверхностного стока. Загрязнение поверхностных водных объектов за счёт разгрузки подземных вод в водотоки и водоёмы, а также аэрогенный привнос золошлакового материала оцениваются как второстепенные.

С золами ТЭЦ происходит техногенное загрязнение местности тяжелыми металлами [6, 16, 17], некоторые из которых, например, ртуть, свинец и кадмий, опасны для всего живого даже при низких концентрациях [18].

При сжигании угля за счет выгорания углерода и удаления летучих соединений происходит концентрирование в продуктах сгорания угля и радионуклидов. Степень концентрирования зависит от зольности углей, форм нахождения в них микроэлементов и летучести их оксидов и других соединений, образующихся в процессе горения и перемещения газов по дымовому тракту [19]. В ЗШО содержание естественных радионуклидов может увеличиваться. Существует опасность необратимого загрязнения биосферы вследствие распыления золы ТЭЦ при хранении в отвалах, поскольку при сгорании угля в золе остаются радиоизотопы уран-радиевого и ториевого рядов, содержащихся в исходном угле. Они не разбавлены массой углерода, т. е. находятся в концентрированном, а, следовательно, более опасном виде. Например, содержание радия и тория превосходит их содержание в углях в 3 раза.

Золошлаковые отходы

Рис. 1. Схема воздействия складирования ЗШО на окружающую среду

В связи с этим образующиеся золошлаковые отходы необходимо классифицировать по радиометрическому показателю [20]. Имеются сведения, что слабо летучие соединения могут накапливаться в золе и шлаке, а более летучие - перемещаться с дымовыми газами.

Данные Ё.А. Пучкова и А.Е. Воробьева [20] свидетельствуют о том, что содержание изотопов в золе ТЭЦ в 7 - 10 раз больше, чем в почве (40К - 400 Бк/кг, 238U - 150 Бк/кг, 235U -150 Бк/кг). По литературным данным, только в золошлакоот-вале Благовещенской ТЭЦ содержатся 20 т U235, 18 т Th232, 7 кг Ra226 [2].

Таким образом, в зонах воздействия золоотвалов формируются неблагоприятные экологические ситуации из-за пылеоб-разования, а также вымывания компонентов золы (радионуклидов и тяжелых металлов), попадания их в почву и подземные воды, что, в свою очередь, представляет опасность для здоро-

вья населения и угрозу растительному и животному миру близлежащих районов. Кроме того, золоотвалы являются причиной отчуждения больших территорий земли с целью строительства золоотвалов для размещения ЗШО, которые практически безвозвратно изымаются из полезного использования, даже после их рекультивации, а их содержание требует значительных эксплуатационных затрат, что повышает себестоимость производства энергоносителей. Одной из проблем хранения ЗШО на золоотвале является их расположение вблизи больших городов (а нередко в черте города). Возникает проблема деформации поверхности и изменения рельефа.

Как отмечалось выше, объемы утилизации золошлаков в нашей стране в настоящее время весьма незначительны, несмотря на то, что в прежние годы этой проблемой занимались около 400 научно-исследовательских и проектно-конструк-торских организаций. Было разработано около 300 различных технологий переработки ЗШО по 23-м направлениям, соответствующим мировому уровню. Использование золы и шлаков местной промышленностью Хабаровского края не превышает 30-50 тыс. т в год. Более широкое использование ЗШО затруднено отсутствием в крае перерабатывающих производств, а также интенсивным пыле-, грязе- и газообразованием ЗШО [12].

Состав и свойства золошлаковых отходов зависят от различных факторов, что в значительной степени оказывает влияние на направления их использования [21].

Анализ литературных источников показал, что в настоящее время в мировой практике наметились разнообразные направления использования ЗШО (рис. 2), а именно:

Рис. 2. Основные направления переработки ЗШО

1) Производство концентратов металлов (германия, титана, железа, алюминия, галлия, ванадия и др.) и извлечение цветных, ценных и редких элементов.

2) Производство строительных материалов: цемента; силикатных (известково-песчаных) изделий - силикатного кирпича, силикатных стеновых блоков, изделий из силикатных ячеистых бетонов; керамических изделий; искусственных заполнителей; ячеистого, обычного и специальных видов бетонов (гидротехнический и жароупорный бетоны, пенозолобетон, газозолобе-тон, керамзитозолобетон, керамзитозолопенобетон и др.).

3) Производство термо- и гидроизоляционных материалов: шлаковой ваты; микросферы; гидрофобных порошков.

4) Производство литейных материалов: теплоизоляционных; самосмазывающихся и изоляционных задвижек; термоизоляционных плит.

5) Производство химических изделий: средств защиты растений; заполнителей для пластмасс и резин; носителей катализаторов; катализаторов; сорбентов.

6) Очистка вод и водостоков: удаление фосфатов и ионов тяжелых металлов; ускорение седиментации; улучшение фильтрации.

7) Удобрение и мелиорация почвы: нейтрализация почвы; ввод микроэлементов; разрыхление или уплотнение структуры грунтов.

8) Закладка горных выработок.

9) Строительство дорог, автострад, аэродромов, дамб: нивелировка; возведение насыпей; стабилизация оснований; добавка к бетонам и асфальтам.

10) Тушение пожаров в шахтах, лесах и др.

11) Сырье для химической промышленности (получение из зол А12О3, Ре2Оз, ТЮ2, К2О, Р2О5, из08 и др.).

12) Использование ЗШО для изоляции муниципальных свалок.

На основе полученных данных можно сделать выводы, что в нашей стране золошлаки используются главным образом в производстве строительных материалов, частично для подсыпки дорог и в сельском хозяйстве. Возможно извлечение элементов, таких как алюминий, железо, благородные металлы и другие. Большинство имеющихся направлений ориентировано на монопользование.

Комплексное исследование состава и свойств золошлаков, на примере ЗШО Хабаровской ТЭЦ-3, позволяет выявить характерные особенности золошлаковых отходов и актуальные пути их утилизации.

Методика

Целью исследования стал анализ состава золошлаков Хабаровской ТЭЦ-3 для выявления их характерных особенностей и выбора наиболее оптимального метода их утилизации.

Объект исследования - элементный состав золошлаковых отходов Хабаровской ТЭЦ-3. Предмет исследования - выбор наиболее оптимального варианта использования золошлаков.

Золоотвал Хабаровской ТЭЦ-3 размещен на пойменной террасе Амура между протокой Хохлатская и левым берегом реки Березовой, в районе с. Федоровка на расстоянии 5 км севернее площадки ТЭЦ-3. Урез пр. Хохлатской отстоит от северной дамбы золоотвала на 900 м. Общая площадь отведенной территории 58,23 га. Примыкающий к ТЭЦ район - населенная равнина и пахотные земли Хабаровского района. В регионе преобладают ветры юго-западных и северо-восточных направлений. Район исследования (рис. 3) принадлежит к Восточной

Рис. 3. Расположение золоотвала Хабаровской ТЭЦ-3

Рис. 4. Разрез на золоотвале Хабаровской ТЭЦ-3

буроземно-лесной области бурых и подзолисто-бурых лесных почв [22].

На исследуемом золоотвале был заложен разрез (рис. 4) и отобраны пробы золошлаковых отходов согласно ПНД Ф 12.4.2.1-99 [23]. Золоотвал Хабаровской ТЭЦ-3 представлен артииндустратами в виде темной дисперсной массы с обломками шлака. Чаще всего цвет золы темно-серый, почти черный, по текстуре однородный, сырой и лёгкий. Четко выделяются горизонтальные прослойки более темного цвета на глубине 20 и 40 см (образуются в зависимости от подачи пульпы на золоотвал).

Исследования химического состава золошлаковых отходов выполнены в научно-образовательном центре ДВФУ «Рациональное природопользование, охрана окружающей среды и безопасность жизнедеятельности».

Определение содержания валовых форм химических элементов в золошлаковых отходах проводилось методом атомно-

эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП) на приборе 1СРЕ-9000 Shimadzu (рис. 5) и рентгенофлуоресцентным методом с использованием портативного ХИР анализатора «МобиЛаб X-50», США (рис. 6). Анализ ЗШО методом АЭС-ИСП проведен согласно _ _ . „ ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98

Рис. 5. Атомно-эмиссионный спектро- г^ал метр 1СРЕ-9000 БЫшоНги [24].

Рис. 6. Портативный ХКР анализатор «МобиЛаб Х-50», США

Обсуждение результатов

По данным рентгенофлуоресцентного анализа в золошлаках больше всего содержится железа, кальция, калия, титана и марганца (рис. 7).

Йй 232 -у % 268 ¿Л рь, Ю

Ее: 53154

Са,;28793

Т1.4765

Рис. 7. Состав золошлаковых отходов, ррт

Sil: 3,31 Co; 10,75 I

Ile; 0,017

Cu; 3,55.

РЬ; 26,8

Cd; 0,04

Ni; 2,15 Lftsîb,?

глубина 0-19 см

Со; 11,05 Sn¡ 4,4Я I Ir; 0,02., I I

Cu; 3,65

РЬ; 26,7

^Cd; 2,35 ^As; 1,63 -Ni; 0,7

глубина 19-37 см

Sr: 84,53473

5п; ¿,38

Со; 11,07

Не; 0,013

глубина 37-60 см

5п; 2,33

Со; 11,17

Мв; 0,023

|РЬ; 25,8

РЬ; 28,85

Мп; 46,83131^ Рс; 1753,087 5г; 30,38788 м&.1д57дз

Са; 1467,647.

Мп: 1£Е,2557.

Са; 3637,006

Д1;3005,592

К; 3063,374

Рс; 8580,508 5г; 75,2726 ^Мй; 5120,057

,А1:4766,343

К; 17478,81

глубина 60-70 см

Рис. 8. Содержание химических элементов в разрезе на золоотвале Хабаровской ТЭЦ-3, мг/кг

Полученные данные атомно-абсорбционного анализа с индуктивно-связанной плазмой свидетельствуют о том, что в ЗШО содержится значительное количество железа, кальция, калия, магния, алюминия, марганца, стронция, цинка, свинца, никеля и кобальта (рис. 8). Последовательность элементов по убыванию содержания их в ЗШО представлена следующим рядом: К > Ре > А1 > Мд > Са > Мп > Бг > РЬ > Со > гп > Си > Бп > Аэ > N1 > Са > Нд.

По результатам анализа установлено, что зола является источником многих полезных элементов. Следовательно, переработка ЗШО является весьма перспективной сферой для инноваций и инвестиций, имеющей многоцелевую направленность и благоприятное влияние на эколого-социально-экономическое развитие Дальневосточного региона. Актуальна разработка методов и схем комплексной переработки ЗШО с применением методов извлечения. К настоящему времени накоплено огромное количество золошлаковых отходов, которые следует рассматривать как техногенное сырье.

Таким образом, золошлаковые отходы Хабаровского края по химическому составу и свойствами являются как источниками загрязнения почвенного покрова, так и выгодным и перспективным сырьем. Они могут быть отнесены к техногенному минеральному сырью, которое, в отличие от природного, со временем накапливается, а не истощается, что повышает перспективность их изучения и вовлечения в использование. Извлечение полезных компонентов и полная утилизация золошла-ковых отходов за счет использования их полезных свойств и производства строительных материалов позволит высвободить занимаемые отвалами площади, понизить негативное воздействие на окружающую среду, получить полезную продукцию и снизить темпы потребления невозобновимых природных ресурсов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бочаров В.Л., Крамарев П.Н., Строгонова Л.Н. Геоэкологические аспекты прогноза изменения окружающей среды в районах полигонов захоронения золошлаковых отходов теплоэлектростанций Вестник Воронежского университета. Геология. 2005. № 1, С. 233-240.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Радомский С.М. Экологические проблемы золошлакоотвала Благовещенской ТЭЦ / С. М. Радомский, А. Ф. Миронюк, В. И. Радомская, А. А. Лукичев // Экология и промышленность России. - март 2004 г. - С. 28-31.

3. Андреева С.Г. Гигиеническая оценка золошлаковых отходов, образующихся при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна. Автореферат дисс. Кемерово: Изд-во ГОУ ВПО КемГМА, 2006. - 21 с.

4. Бобович Б.Б. Переработка промышленных отходов: учебник для вузов / Б.Б. Бобович. - М.: СП Интермет Инжиниринг, 1999. - 445 с.

5. Саркисов П.Д. Отходы различных производств - сырье для получения строительных материалов / П. Д. Саркисов // Экология и промышленность России. - март 2001. - С. 4-6.

6. Носков А.С., Савинкина М.А., Анишенко Л.Я. Воздействие ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба. - Новосибирск, 1990 - 178 с.

7. Tihonova A. Improvement of the system of handling wastes of thermal electric stations. - Режим доступа: http://www.masters.donntu.edu.ua/2009/feht/ /tihonova/diss/indexe.htm

8. Черепанов А.А. Благородные металлы в золошлаковых отходах Дальневосточных ТЭЦ / А. А. Черепанов. - Владивосток : Изд-во ДВИМСа. -1999. - 18 с.

9. Делицын Л.М. Комплексное использование углей на ТЭС / Л. М. Де-лицын, А. С. Власов // Экология и промышленность России. - август 2002. -С. 37-39.

10. Потребительский рынок Хабаровского края : официальный сайт министерства экономического развития и внешних связей [Электронный ресурс] / Варнавский В. Г. Роль угольного сырья в топливно-энергетическом комплексе Хабаровского края: настоящее, будущее / В.Г. Варнавский, Диденко А.Н., Черепанов А.А. - Режим доступа: http://www.khabkrai.ru.

11. Гурина И.В. Биологический этап рекультивации золоотвала Новочеркасской ГРЭС / И. В. Гурина, А. А. Гнеуш, А. И. Щиренко // Научно-техническое творчество студентов вузов: Матер. Всерос. Смотра-конкурса научн.-техн. творчества студ. вузов «Эврика. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. - Ч.3. - С. 21-24.

12. Бакулин Ю.И. Золото и платина в золошлаковых отходах ТЭЦ г. Хабаровска / Ю. И. Бакулин, А. А. Черепанов // Руды и металлы. -2002. - № 3. - С. 60-67.

13. Состояние природной среды и природоохранная деятельность в Хабаровском крае в 2000 году : Государственный доклад / Департамент природных ресурсов по Дальневосточному региону / Под редакцией В. М. Бол-трушко. - Хабаровск, 2001. - 157 с.

14. Состояние природной среды и природоохранная деятельность в Хабаровском крае в 2001 году: Государственный доклад / Департамент природных ресурсов по Дальневосточному региону / Под редакцией В. М. Бол-трушко. - Хабаровск, 2002. - 172 с.

15. Футорянский Л.Д. геоэкологические критерии оптимального размещения золошлакоотвалов ТЭС в природных условиях среднего Урала: авто-реф. диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук Екатеринбург - 2008 - 26 с.

16. Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине. - М.: Наука. 1974.

17. Restoration of fly ash dump through biological interventions // Environment Monitoring Assessment (2008) - Режим доступа: http://www.springerlink.com).

18. Розанов Л.Л. Геоэкология : учебно-методическое пособие для вузов / Л.Л. Розанов. - М.: Дрофа, 2010. - 269 с.

19. Титаева H.A. Геохимия радиоизотопов радиоактивных элементов (урана, тория, радия) / Н. А.Титаева. - М., 2002. - 92 с.

20. Матвеенко Т.И. Радионуклиды в почвенно растительном покрове зоны влияния теплоэлектростанции: монография. - Хабаровск, 2009. - 96 с.

21. Пугач Л.И. Энергетика и экология: учебник / Л.И. Пугач. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. - 504 с.

22. Добровольский Г.В. География почв : учебник / Г. В. Добровольский, И. С. Урусевская. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 1984. - 416 с.

23. Отходы минерального происхождения. Рекомендации по отбору и подготовке проб. Общие положения : ПНД Ф 12.4.2.1-99. - Введ. 1999-0324. - М., 1999. - 10 с.

24. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах (почва, компосты, кеки, осадки сточных вод, пробы растительного происхождения) методами спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (41 элемент): ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98. - М., 1998. (изд. 2005 г.). - 13 с. ггтгт^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Черенцова Анна Александровна - преподаватель, Тихоокеанский государственный университет,

Олесик Светлана Михайловна - ассистент, Дальневосточный федеральный университет.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.