CC BY
545
© 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.
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.
