CC BY
87
Юрий Сергеевич Рыбаков
и -
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии хлеба, кондитерских и макаронных изделий Уральского государственного экономического
Михаил Васильевич Фёдоров
Доктор экономических наук, доктор геологоминералогических наук, профессор, ректор Уральского государственного экономического университета
Аспирант кафедры технологии и организации питания Уральского государственного экономического университета
Технико-экономическая оценка химической рекультивации техногенных образований цветной металлургии
В процессе отработки месторождений цветных металлов, особенно открытым способом, на техногенной провинции предприятий цветной металлургии скапливается значительное количество техногенных образований (свалки отходов, отвалы руд и пород, хвостохранилища, золоотвалы, шламохранилища и шлакоотвалы), которые загрязняют окружающую среду. К наиболее опасным для окружающей среды, особенно для водных объектов, относят отвалы руд и пород цветной металлургии [1]. Широкомасштабная хозяйственная деятельность сопровождается неблагоприятными изменениями в окружающей природной среде: в условиях существенного роста антропогенных нагрузок изменяется характер подстилающей поверхности и происходит перестройка природных ландшафтов.
Хозяйственная деятельность неизбежно сопровождается увеличением содержания в почве различных поллютантов техногенного происхождения, таких как минеральные соединения, органические и металлоорганические соединения. Загрязнение почв тяжелыми металлами происходит в результате накопления на их поверхности аэрозолей, выбрасываемых промышленными источниками (например, металлургическими производствами) и стока с техногенных образований [2; 3]. Формирование ареалов загрязнения почв тяжелыми металлами
Алексей Юрьевич Рыбаков
зависит как от объемов их выбросов, так и от многих факторов, связанных с миграцией загрязняющих веществ через атмосферу, почву и сопредельные среды.
По мере возрастания загрязненности почв постепенно уменьшается их естественная способность к самоочищению, что приводит к загрязнению других компонентов экосистем, в том числе и водных объектов. Уровень загрязненности поверхностных вод большинства водных объектов не снижается, несмотря на то, что в связи со спадом промышленного производства объемы сброса сточных вод значительно сократились [4].
В связи с усилением загрязнения окружающей среды в сельскохозяйственную продукцию больше поступает токсических веществ из атмосферного воздуха, почвы и водоемов, в продовольственном сырье и продуктах питания накапливаются чужеродные вещества, или ксенобиотики, что ставит целый ряд задач, нацеленных на обеспечение безопасности продуктов питания [5-9].
Для снижения загрязнения окружающей среды необходимо как можно быстрее снизить содержание в отвалах руд и пород легкорастворимых соединений, а последующая биологическая рекультивация практически исключит угрозу загрязнения водных объектов. Для большинства техногенных образований необходимо осуществить три этапа рекультивации: горнотехническую, химическую и биологическую [8; 10; 11]. Химическую рекультивацию можно провести с применением приемов и методов кучного выщелачивания, которое позволит не только защитить почвы и водные объекты от загрязненного стока с отвалов, но и извлечь из них цветные металлы в товарную продукцию и подготовить отвал к биологической рекультивации.
Нами предложена классификация руд и пород, объединяющая их по степени опасности для окружающей среды и по технологическим свойствам при очистке от экологически опасных металлов:
руды и породы медных месторождений, залегающие: в породах кислого состава; в основных и карбонатных породах; в глинистых породах;
руды и породы медно-цинковых месторождений, залегающие: в породах кислого состава; в породах основного состава; метаколлоидные руды;
руды и породы свинцово-цинковых месторождений, залегающие: в породах кислого состава; в основных породах;
руды и породы молибденовых месторождений: окисленные;
породы, содержащие сульфидные руды.
Для каждого класса руд и пород разработаны технологические схемы проведения процесса, определены оптимальные режимы химической рекультивации (табл. 1). Сущность технологии заключается в следующем (см. рисунок). Техногенное образование подвергают химической или биохимической обработке с целью извлечения из него ценных компонентов, загрязняющих окружающую среду, в товарную продукцию. Для этого вытекающие из техногенных образований воды собираются в накопительный пруд. Собранные воды направляют на извлечение ценных компонентов. После извлечения металлов воды подают на регенерацию, а затем на орошение техногенных образований для ускорения процессов их очистки. Технология орошения направлена на максимальное испарение воды с целью уменьшения или исключения дебаланса. Прошедшие через породу воды собираются в накопительном пруде и вновь подаются на извлечение металлов, регенерацию и очистку техногенных образований. Дебалансовые воды направляются на нейтрализацию известковым молоком и доочистку в биопруде или фитофильтре конструкции РосНИИВХ [12].
Оптимальные диапазоны процесса химической рекультивации отвалов медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд и пород
Класс Плотность орошения, дм3/т Пауза между орошениями, сут. Концентрация, г/дм3
H2SO4 ШС1 №ОН
Медные руды, залегающие в породах кислого
состава 40-60 1-2 3-5
Медные руды, залегающие в основных
и карбонатных породах 20-50 1-3 5-10
Медные руды, залегающие в глинистых породах 20-30 3-5 5-15
Медно-цинковые метаколлоидные руды 50-70 1-3 1-2
Медно-цинковые руды, залегающие в породах
кислого состава 60-100 1 1-3
Медно-цинковые руды, залегающие в породах
основного состава 60 1 5
Свинцово-цинковые руды, залегающие в породах
кислого состава 60 1 5 80
Свинцово-цинковые руды, залегающие в основных и
карбонатных породах 60 1 5 150
Молибденовые окисленные руды 40 1 20
Молибденовые сульфидные руды 120 1 120 2
Исследованиями также установлено, что в ряде случаев при осуществлении химической рекультивации можно не только очистить техногенное образование от легкорастворимых металлов-загрязнителей, но и окупить понесенные затраты.
1
Принципиальная схема химической рекультивации отвалов руд и минерализованных пород
Для оценки эффективности технологических схем разработаны математические выражения по расчету рентабельного производства и минимального содержания металлов:
,05^К/0,8ЦМ - УД, -У2Ц2, (1)
где Э - годовой расход электроэнергии;
Ц3 - цена 1 тыс. кВт-ч электроэнергии;
Х = ЭЦ3 + 1,1ЗП + | - + 0
ЗП - годовая заработная плата работников участка с отчислениями на соцстрах и пенсионный фонд;
х - продолжительность очистки отвала;
К - капитальные затраты;
Цм - оптовая цена 1 т металла;
У1 - удельный расход реагента на производство 1 т металла;
Ц1 - цена 1 т реагента;
У2 - удельный расход сорбента, экстрагента или осадителя на 1 т металла;
Ц2 - цена 1 т сорбента, экстрагента, осадителя.
Минимальное содержание металла в руде или породе Рм, при котором возможно его рентабельное производство можно вычислить исходя из знания необходимого извлечения металла при очистке Е, продолжительности очистки х и массы перерабатываемой породы Q:
Рм = ^ХХХ х 100%. (2)
м Е х е
С помощью этих выражений на основании результатов исследования выщелачивания руд рассчитаны указанные выше показатели. В табл. 2 приведены данные по минимальному содержанию металлов, при котором возможно рентабельное производство. В первом столбце табл. 2 указано наименование класса приведенной выше классификации руд и пород. В таблице они приведены в порядке убывания степени опасности для окружающей среды (чем выше номер, тем руды и породы менее опасны для окружающей среды). Рентабельное производство меди для различных классов руд 110-470 т, цинка - 230-450 т, свинца - 280-360 т, молибдена - 106-186 т. Минимальное содержание металлов соответственно: меди - 0,03-0,18%, цинка - 0,07-0,1%, свинца - 0,12-0,15%, молибдена - 0,01-0,02%, что значительно ниже их содержаний в забалансовых рудах.
Таблица 2
Минимальное содержание металлов в породе, при котором возможно их рентабельное извлечение из отвалов руд и пород при химической рекультивации
Класс руд и пород Минимальное содержание, %
Си Zn РЬ Мо
Медно-цинковые метаколлоидные 0,07 0,09 - -
Медно-цинковые, залегающие в породах кислого состава 0,03 0,07 - -
Медные, залегающие в породах кислого состава 0,04 - - -
Свинцово-цинковые, залегающие в породах кислого состава 0,07 0,14 0,12
Молибденовые окисленные 0,09 0,12 - 0,01
Медные, залегающие в глинистых породах 0,11 - - -
Медно-цинковые, залегающие в основных породах 0,06 0,10 - -
Медные, залегающие в основных и карбонатных породах 0,18 - - -
Свинцово-цинковые, залегающие в основных и карбонатных породах 0,08 0,17 0,15 -
Молибденовые сульфидные 0,12 0,20 - 0,02
После горнотехнической и химической рекультивации отвал, согласно ГОСТу 17.5.1.03-86, будет пригоден для последующей биологической рекультивации, направленной на восстановление ландшафтов, плодородия и биологической продуктивности нарушенной территории, а также на снижение химической активности техногенного образования и извлечения оставшихся загрязнителей. Пригодными для биологической рекультивации считаются породы с содержанием гумуса в поверхностном слое более 1% без токсичных солей, поэтому в большинстве случаев на поверхность следует вносить гумусосодержащие почвы. Ускоренному развитию почвообразующего процесса способствует возделывание на отвалах злаково-бобовых и бобовых культур (люцерны, лютена, клевера) [13].
Одна из интересных методик ускоренного восстановления почвенного слоя разработана в Канаде. Вместо почвы наносят семена с помощью гидравлической сеялки с особым веществом Вю-А^ееп, изготовленным на основе активированной целлюлозы. Целлюлоза имеет высокий потенциал сорбции и способность удерживать воду, что вызывает быстрое прорастание семян. В результате формирование гумусового слоя происходит за 2 года вместо 20-30 лет в природных условиях [14].
Таким образом, в результате осуществления предложенных мероприятий удастся улучшить экологическое состояние не только в техногенной провинции, но и в бассейнах рек в целом. Кроме этого, разработанные технологии и инженерно-технические средства позволят создать такие рекультивационные комплексы, которые окупят затраты на природоохранные мероприятия.
Литература
1. Рыбаков, Ю. С. Защита водных объектов от загрязнения стоком, сформированным на водосборной территории техногенных провинций / Ю.С. Рыбаков // Эколого-водохозяйственный вестник. 2002. Вып. 6.
2. Рыбаков, Ю. С. Проблема техногенных образований и защита водных объектов от загрязнения / Ю. С. Рыбаков, Е. А. Чижов // Мелиорация и водное хозяйство. 1999. № 6.
3. Рыбаков, Ю. С. Предотвращение загрязнения вод стоком с техногенных образований цветной металлургии / Ю. С. Рыбаков // Экология и безопасность жизнедеятельности: сб. науч. тр. Екатеринбург: УрГУПС, 2003.
4. Водные ресурсы Свердловской области / под науч. ред. Н. Б. Прохоровой; ФГУП РосНИИВХ. Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2004.
5. Кирюшин, В. И. Экологические основы земледелия / В. И. Кирюшин. М.: Колос, 1996.
6. Евдокимова, Г. А. Аккумуляция тяжелых металлов в почвах и растениях в результате аэротехногенного загрязнения / Г. А. Евдокимова // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах: труды III Всесоюзного совещания (Обнинск, сентябрь 1981). Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
7. Мудрый, И. В. Тяжелые металлы в системе почва - растение - человек / И. В. Мудрый // Гигиена и санитария. 1997. №1.
8. Рыбаков, Ю. С. Рудный техногенез и качество пищевых продуктов / Ю. С. Рыбаков, А. Ю. Рыбаков // Современное хлебопекарное производство, перспективы его развития: матер. междунар. науч.-практ. конф. Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. экон. ун-та, 2006.
9. Рыбаков, Ю. С. Проблемы продовольственной безопасности в зоне деятельности предприятий горнопромышленного комплекса / Ю. С. Рыбаков, М. В. Фёдоров, А. Ю. Рыбаков // Продовольственная безопасность в системе народосбережения: матер. междунар. науч.-практ. конф. Екатеринбург: Изд-во Изд-во Урал. гос. экон. ун-та, 2006. Ч. 1.
10. Рыбаков, А. Ю. Исследования химической рекультивации техногенных образований для разработки мероприятий по защите пищевого сырья от загрязнения / А. Ю. Рыбаков // Конкурентоспособность территорий и предприятий во взаимозависимом мире: тр. IX Всерос. форума молодых ученых и студентов (Екатеринбург, апрель 2006 г.). Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. экон. ун-та, 2006.
11. Рыбаков, Ю. С. Применение геотехнологических методов для защиты водных объектов от загрязнения стоком с техногенных образований / Ю. С. Рыбаков // Горный информационноаналитический бюллетень. 1999. № 2.
12. Ассонов, А. М. Новая концепция технологии очистки поверхностных сточных вод с водосбора / А. М. Асонов, О. Р. Ильясов // Водное хозяйство России. 2000. № 1.
13. Моторина, Л. В. Опыт рекультивации нарушенных промышленностью ландшафтов в СССР и зарубежных странах / Л. В. Моторина. М.: ВНИИТЭИСХ, 1975.
14. Vignal, A. Une novelle methode pour la regeneration des degrades / A. Vignal // Mines et carrieres. 1989. № 7.
*****
