CC BY
58
УЕБТЫНС
мвви
УДК 658.5:504.05 + 691
К.Г. Пугин, Я.И. Вайсман
ФГБОУВПО «ПНИПУ»
УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ НЕГАТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА
На основе анализа жизненного цикла строительных материалов (СМ), полученных на основе отходов производства, определены этапы формирования экологических рисков возникновения негативных воздействий на объекты окружающей среды. Исследованиями установлено, что одним из основных экологических рисков является возникновение вторичной эмиссии загрязняющих веществ из таких СМ, которая не учитывается существующими нормативными документами, определяющими экологическую безопасность строительных материалов. Определены основные пути снижения экологических рисков при использовании ресурсного потенциала отходов для производства строительных материалов снижением эмиссии загрязняющих веществ путем уменьшения их водопроницаемости.
Ключевые слова: отходы производства, экологические риски, эмиссия загрязняющих веществ, строительные материалы, окружающая среда.
Анализ формирования экологической техногенной нагрузки (ЭТН) на окружающую среду (ОС) строительными материалами, полученными на основе или с добавлением отходов производства (СМОП), на протяжении всего их жизненного цикла позволил выделить три его основных этапа на которых возможно возникновение экологических рисков: 1) производство строительных материалов (СМ) с использованием ресурсного потенциала отходов; 2) использование СМОП и изделий из них; 3) утилизация (ликвидация) СМОП и изделий из них после завершения периода их использования. ЭТН проявляется в негативном воздействии СМОП на атмосферный воздух, почву, водные объекты в основном в результате эмиссии из СМОП загрязняющих веществ при их производстве, использовании и ликвидации (утилизации) после завершения их использования у конечного потребителя [1—7].
Наиболее полно регламентированы с позиции контроля, мониторинга и управления экологическими рисками и потенциальной возможной ЭТН первый и третий этапы. В нормативных документах (стандартах разного уровня, экологических, санитарно-гигиенических, строительных нормах и правилах, технологических регламентах, технических условиях и иных) достаточно полно прописаны требования по обеспечению экологически безопасного проведения технологических операций по получению СМ на основе или с добавлением отходов производства и их ликвидации (утилизации) после завершения их использования у конечного потребителя в соответствии с экологическими и иными нормами и правилами. При соблюдении этих требований ЭТН на объекты ОС на первом и третьем этапах, как правило, находится на приемлемом уровне [5, 7—11].
Второй этап — использование СМОП — регламентирован в основном только в части требований, предъявляемых к СМ на этапе их использования и направленных на сохранение их потребительских свойств. Вопросы предотвращения возможного негативного воздействия СМОП в процессе их использования на объекты ОС и население в результате влияния на СМОП комплекса неблагоприятных природных и антропогенных факторов, которые могут привести к трудно прогнозируемым неблагоприятным в экологическом отношении последствиям, регламентированы крайне недостаточно. Для этого этапа характерно формирование ЭТН в результате возможной эмиссии загрязняющих веществ из СМОП и изделий из них в случаях их разрушения и старения (нарушения сплошности, повышения газо- и водопроницаемости, открытия новых поверхностей контакта с агрессивными природными средами и т.п.). При формировании эмиссии загрязняющих веществ из СМ важную роль играет временной фактор — длительность использования СМ, в течение которого возможно изменение их физико-механических и химических свойств.
При формировании ЭТН, создаваемой при использовании СМОП, важную роль играют недостаточно изученные механизмы эмиссии из них загрязняющих веществ в ОС, которая лежит в основе экологических рисков, возникающих при использовании таких СМ. Вместе с тем действующая в нашей стране нормативно-правовая база, регламентирующая экологическую безопасность получения и использования СМ из отходов производства, не совершенна и не позволяет обеспечить достижение приемлемого уровня формирования ЭТН при использовании таких СМ.
В сложившихся условиях широкое применение отходов производства для получения СМ и изделий из них в условиях несовершенства нормативно-правовой базы их экологической безопасности без должного учета возможного возникновения экологических рисков зачастую приводит к формированию ЭТН на объекты ОС выше приемлемого уровня. Существующие методики санитарно-гигиенической оценки СМ основаны на краткосрочных исследованиях (30 суток) и ограниченном числе факторов ОС. Результаты оценки не представляется возможным экстраполировать на оценку экологической безопасности СМ в условиях воздействия на них совокупности агрессивных факторов ОС на протяжении всего жизненного цикла СМ.
Вместе с тем из практики известно, что на протяжении жизненного цикла СМ и изделий из них возможно долгосрочное воздействие на них комплекса агрессивных природных физико-механических, биологических и антропогенных факторов, которые в случае использования СМОП, без необходимых защитных мероприятий могут привести не только к ухудшению потребительских свойств и сокращению сроков эффективного целевого использования СМ, но и к возникновению экологических рисков в результате возможных негативных воздействий на ОС и население [12—14]. В этой связи оценка экологических рисков от возможных негативных воздействий СМОП на ОС и управление ими в целях достижения приемлемого уровня формирования ЭТН является актуальной.
Для решения задач оценки и управления рисками негативного воздействия СМ на объекты ОС в целях достижения их приемлемого уровня необходимо располагать достаточной информацией о механизмах формирования ЭТН на всем протяжении жизненного цикла СМ, в состав которых входят отходы производства.
Вместе с тем анализ состояния проблемы оценки вероятности возникновения и тяжести последствия реализации рисков негативных воздействий СМОП, на объекты ОС позволил сделать вывод о том, что до настоящего времени недостаточно изучены механизмы формирования ими ЭТН, знание которых необходимо для принятия управленческих решений в целях достижения ее приемлемого уровня [15—23].
В известной степени полезными в этом отношении являются результаты изучения формирования ЭТН в местах размещения в ОС неутилизируемых остатков отходов производства (особенно тех из них, которые наиболее часто используются для производства СМ) в условиях, не отвечающих требованиям экологической безопасности — без проведения необходимых защитных мероприятий по исключению (или минимизации) воздействия на них агрессивных природных и антропогенных факторов.
Исследованиями [12—14] установлено, что при воздействии на размещенные в ОС неутилизируемые отходы в условиях не отвечающих требованиям экологической безопасности переменных температур, контакта с агрессивными природными средами, механических нагрузок и вибраций, биологических и других факторов, возможно вымывание из отходов водорастворимых и улетучивание испаряющихся компонентов, переход ранее стабильных форм отдельных компонентов, в т.ч. и опасных в экологическом отношении, в подвижные формы. Это может привести к эмиссии загрязняющих веществ — компонентов отходов в ОС, которая в зависимости от местных климатогеографических условий, количества и свойств отходов приводит к формированию ЭТН.
Анализ полученных в ходе проведенных нами натурных и экспериментальных исследований по изучению механизмов эмиссии загрязняющих веществ из отходов производства, размещенных в ОС без проведения необходимых защитных мероприятий, показал, что при совместном воздействии на них комплекса природных и антропогенных факторов на характер и интенсивность эмиссии влияют изменения в сплошности, водо- и воздухопроницаемости отходов, открытие новых поверхностей контакта с агрессивными средами в результате измельчения материала под воздействием переменных температур и механических нагрузок, ветровой и водной эрозии, снижение механической прочности и связанности материала при проникновении вглубь него воды, которая выполняет не только транспортную функцию по выносу водорастворимых компонентов отходов, но и способствует разрушению имеющихся и образованию новых соединений и связей между компонентами отходов.
Изучение формирования ЭТН в местах размещения в ОС в условиях, не отвечающих экологическим требованиям, неутилизированных отходов горнодобывающей, основной химической промышленности, черной металлургии, соответствуют 4—5 классам опасности для ОС, которые имеют широкое распространение на территории РФ и наиболее часто используются для производства СМ, показало, что на характер и интенсивность эмиссии загрязняющих веществ из этих отходов наибольшее влияние оказывают атмосферные осадки, периодическое затопление и подтопление агрессивными водами, водная и в меньшей степени ветровая эрозия. Выделившиеся из отходов в процессах эмиссии загрязняющие вещества в зависимости от их свойств, агрегатного
состояния, климатогеографических и других местных условий в результате межсредового перераспределения попадают в водные объекты, почву и атмосферный воздух. Из отходов в первую очередь мигрируют летучие, водорастворимые и малосвязанные компоненты.
В связи с тем, что СМОП могут при их использовании подвергаться воздействию природных агрессивных сред и антропогенных нагрузок, схожих с теми, которые влияют на отходы производства, размещенные в ОС без необходимых защитных мероприятий, можно предположить, что механизмы формирования СМ экологической нагрузки будут подобными, если не будут обеспечены необходимые экологически безопасные условия их использования. Следовательно при оценке возможных рисков негативного воздействия СМ на ОС, в состав которых входят отходы производства, процесс использования задолженного в отходах материального ресурса при его включении в состав СМ необходимо рассматривать как размещение отходов в новой среде, в которой возможна трансформация механических, физико-химических и иных свойств СМ путем разрушения присущих им и образования новых соединений и связей. При этом реальным негативным воздействием на ОС будет эмиссия загрязняющих веществ из СМ, которая происходит в текущем времени, а потенциальным — возможная эмиссия в среднесрочной и более отдаленной перспективе, которая может возникать при воздействии внешних природных и антропогенных агрессивных факторов.
Отличие реальных и потенциальных рисков заключается в том, что реальные проявляются сразу при использовании СМ и их можно прогнозировать до применения СМ, а потенциальные могут проявиться в ходе средне- и долгосрочного применения СМ. СМ могут использоваться продолжительное время, в течение которого возможно физико-химическое изменение самого материала под действием внешних факторов, а также при протекании внутренних химических процессов (силикатный и железистый самораспады и т.п.) с образованием новых соединений, зачастую опасных для ОС, которые трудно учесть при использовании существующих методик оценки экологической безопасности СМ.
В качестве примера можно привести шлаки черной металлургии, активно использующиеся в настоящее время в дорожном строительстве в качестве СМ без учета возможности формирования ими высоких уровней ЭТН в результате их трансформации под воздействием природных агрессивных сред и протекания в них трудно управляемых внутренних физико-химических процессов типа силикатного, железистого, марганцового, известкового и магнезиального распадов [7, 16, 23].
Силикатный распад является следствием полиморфного превращения двухкальциевого силиката 2СаО^Ю2 из в в у-форму. Железистый и марганцевый распады происходят при взаимодействии сульфидов железа FeS или марганца с водой с образованием гидроксидов Fe(OH)2 + Н^. Известковый и магнезиальный распад происходят в результате гидратации свободных оксидов СаО и MgO. Все эти распады сопровождаются увеличением объема СМ примерно на 10 %, разрушением их структуры на куски, вплоть до мелкого порошка (шлаковой муки). Происходящие при этих распадах физико-химические процессы приводят к изменению агрегатного состояния и механических свойств СМ, открытию новых поверхностей контакта с агрессивными среда-
ми, более глубокому проникновению внутрь СМ воды, что приводит к интенсификации эмиссии водорастворимых и слабо связанных компонентов, в т.ч. и экологически опасных загрязняющих веществ формирующих ЭТН.
Используемые при устройстве дорожных оснований щебеночные материалы, в т.ч. и полученные из шлаков черной металлургии, подвергаются измельчению при выполнении строительных работ, особенно укатки, когда в одномерном щебне начальной крупностью 20...40 мм может образоваться до 15...25 % частиц размером менее 5 мм. В процессе последующей эксплуатации дороги под действием переменных внешних нагрузок (давление, создаваемое транспортными средствами) каменные материалы продолжают измельчаться с образованием частиц менее 0,071 мм ежегодно до 3 % от общей массы.
Самораспад и постоянные внешние нагрузки на зерна щебня приводят к постоянному обновлению и увеличению площади поверхности контакта зерен щебня с агрессивными природными средами, в особенности с кислыми водами, что приводит к возрастанию риска появления ЭТН выше приемлемого уровня. Из практики известно, что применение щебня, полученного при дроблении шлаков черной металлургии, в частности, доменных шлаков 4-го класса опасности в качестве СМ, отвечающих действующим нормативным требованиям по санитарно-гигиенической безопасности1 в дорожном строительстве (например, для отсыпки основания дороги), без осуществления защитных мероприятий по исключению или минимизации их контакта с агрессивными кислыми водами приводят к эмиссии из щебня водорастворимых солей тяжелых металлов, которые довольно часто формируют ЭТН выше приемлемого уровня. Что часто приводит к отказу от применения такого щебня в дорожном строительстве, несмотря на допустимость его использования в соответствии с требованиями нормативных документов по его экологической безопасности.
В соответствии с действующим в нашей стране нормативными требованиями производство и применение СМОП, разрешается только после положительного заключения на основе результатов исследования: токсикологической характеристики основных химических соединений, входящих в сырьевые материалы; миграции химических веществ в водную и воздушную среды; радио" 2
активности; органолептических свойств материалов2.
1 МУ 2.1.674—97. Санитарно-гигиеническая оценка стройматериалов с добавлением про-мотходов / Минздрав России. М., 1997.
2 Федеральный закон «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» № 52-ФЗ от 30 марта 1999 г.
Постановление правительства Российской Федерации № 554 от 24.07.00 «Об утверждении положения о государственной санитарно-эпидемиологической службе Российской Федерации».
СанПиН 2.1.2.729—99. Полимерные и полимерсодержащие строительные материалы, изделия и конструкции. Гигиенические требования безопасности.
СанПиН 2.1.2.1002—00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и учреждениям.
ГН 2.1.6.1338—03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.
ГН 2.1.6.133—03. Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.
Правила подтверждения пригодности новых материалов, изделий, конструкций и технологий для применения в строительстве, утв. Правительством РФ от 27.12.97 № 1636.
Приказ МЗ РФ № 325 от 15 августа 2001 г. «О санитарно-эпидемиологической экспертизе продукции».
Анализ действующих нормативных документов в области регламентации экологической безопасности СМОП показал, что вопросы оценки эмиссии из них химических веществ, в т.ч. и экологически опасных, проработан недостаточно для практического использования. Для получения информации, позволяющей установить причины и определить механизмы миграции загрязняющих веществ из СМ, полученных на основе или с добавлением отходов производства, нами были проведены экспериментальные исследования по моделированию воздействия природных негативных факторов на СМ в виде водных растворов с различными значениями рН и механических нагрузок, приводящих к измельчению СМ для получения данных, которые могли быть использованы для прогнозирования и управления ЭТН на объекты ОС.
В качестве исследуемых образцов использовался щебень полученный дроблением отвального доменного шлака одного из металлургических заводов Пермского края, типичного представителя металлургической отрасли. Шлак представлял собой многокомпонентную смесь, содержащую ряд металлов, в т.ч. и тяжелых, их окислов и других соединений, которые при определенных условиях могли перейти в подвижную форму и формировать эмиссию загрязняющих веществ во внешнюю среду. Химический состав доменного шлака, использованный при исследованиях, приведен в табл. 1.
Табл. 1. Химический состав доменного шлака (усредненный), %
8Ю2 СаО МО3 БеО МяО ТЮ2 МпО ^2О5 8
29,4 31,4 14,9 1,9 9,8 8,1 1,6 0,19 1,0
По своим физико-механическим свойствам щебень удовлетворяет показателям для дорожного строительства и сертифицирован в соответствии с ГОСТ 3344—83 «Щебень и песок шлаковые для дорожного строительства» и ГОСТ 5578—94 «Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов».
С целью получения данных, позволяющих оценить характер и интенсивность эмиссии загрязняющих веществ из СМ после нарушения его структуры в результате использования, были проведены исследования на примере эмиссии железа из шлакового щебня.
Железо в шлаковых системах образует многовалентные соединения, а также растворимые формы, что позволяет его использовать в качестве многопланового индикатора эмиссии. В качестве модельной среды была использована дистиллированная вода. Так как в реальных условиях при использовании щебня, полученного из доменных шлаков в качестве СМ, возможно его измельчение при переменных динамических нагрузках, например, при его использовании в качестве конструктивного слоя дорожного основания, в эксперименте было предусмотрено его измельчение.
Образцы щебня размером от 1 до 10 мм (удельная поверхность 11 см2/г) помещались в дистиллированную воду и находились в ней в течении 30 сут в целях определения интенсивности экстракции из него железа. Затем после этого образцы извлекались и подвергались дроблению с целью образования новой поверхности контакта до 23 см2/г. Измельченные образцы щебня были
подвержены дополнительному экстрагированию дистиллированном водой в течение 20 сут. Зависимость содержания ионов железа от времени пребывания
в модельной среде приведена на рис. 1.
30
§ 25
5 20
СО
а>
5
* 15
о; s =Г га
i и =г
X
о
10
0
10
20
50 Сут
Рис. 1. Сравнение содержания железа в подвижной форме в дистиллированной воде при первом (0...30 сут) и вторичном (30...50 сут) экстрагировании после измельчения
Проведенные нами исследования (на примере щебня полученного из доменного шлака) показали, что в первые трое суток миграционная активность железа может превышать ПДК в несколько десятков раз. К концу нормативно установленного времени санитарно-гигиенической оценки (30 сут) эмиссия железа снижается в следствии кольматации поверхности зерен щебня кальцием с уменьшением водопроницаемости поверхности щебня и переходом растворимых соединений железа в нерастворимые при взаимодействии с кальцием и магнием, входящими в состав шлака.
Это позволяет сделать вывод о том, что если бы зерна щебня не дробились, не изменяли свою удельную поверхность, то техногенное воздействие было бы минимальным (первый пик концентрации, далее затухание эмиссии). В реальных условиях, на практике, использование такого щебня, например, в качестве СМ при устройстве конструктивного слоя дорожного основания, которое находится под внешней переменной нагрузкой, что приводит к растянутому во времени постоянному дроблению зерен щебня с образованием новых поверхностей, контактирующих с водными средами, и как следствие этого создается возможность нарастания эмиссии из него подвижных форм загрязняющих веществ, что не учитывают существующие методики санитарно-гигиенической оценки СМОП.
При использовании СМ могут подвергаться воздействиям агрессивных природных водных сред, различающихся показателями рН. Это, как свидетельствует практика, может привести к формированию вторичной эмиссии загрязняющих веществ. В частности, это характерно для ряда тяжелых металлов, например, соединений ванадия и других металлов переходной группы.
Для изучения механизмов и оценки эмиссии загрязняющих веществ из шлакового щебня при переменных значениях рН водной среды были проведены экспериментальные исследования на примере модельного вещества — ванадия.
Было проведено моделирование воздействия водной среды с чередованием рН на шлаковый щебень. Изменение концентрации ионов ванадия в дистиллированной воде в зависимости от чередования рН и времени нахождения шлаков в растворе приведено на рис. 2.
1,4
ГЛ
1 1,2 Е
Л 1
т и
I °.8
10,6 я
Ё 0,4
и
I 0,2
И
рН — 7 рН = 4,8 рН = 7
Л1
г \
/ 1 1
Л
\ А
\ 4 1- -1 -4
10
20
30 Сут
40
50
60
Рис. 2. Изменение концентрации ванадия в зависимости от цикличности изменения рН воды: 0...20 сут — шлаковый щебень в дистиллированной воде; 20...40 сут — щебень в ацетатно-аммонийном буфере; 40...60 сут — щебень в дистиллированной воде
Анализ полученных данных позволил установить существование зависимости величины эмиссии загрязняющих веществ от цикличности изменения рН среды размещения СМ. При длительном размещении в ОС СМ, полученных на основе или с добавлением отходов производства, возможна повторная эмиссия загрязняющих веществ, что не учитывается существующей методикой санитарно-гигиенической оценки СМ, содержащих отходы производства.
Характер кривых, приведенных на рис. 1 и 2, показывает, что после открытия новой поверхности материала (глубинных слоев) после его измельчения или изменении рН среды происходит вторичное пиковое повышение содержания загрязняющих веществ (железа, ванадия) в модельной среде. Это обусловлено активизацией диффузионных процессов и растворимостью химических соединений, находящихся в поверхностных слоях материала. Диффузия и гетерогенное физико-химическое взаимодействие твердого тела и жидкости имеют высокие показатели при начальном взаимодействии вследствие большой разницы концентрации вещества в материале и водном растворе. Скорость диффузии прямо пропорциональна площади поверхности, через которую осуществляется диффузия, и градиенту концентрации по пути диффузионного процесса. Вода выступает в роли межсредового транспортера загрязняющих веществ из СМ в объекты ОС. Взаимодействие СМ с агрессивными водными средами
с низкими значениями рН или с периодическим изменением рН, увеличение площади контакта материала с водой могут приводить к увеличению эмиссии загрязняющих веществ, что приводит к увеличению риска формирования ЭТН на объекты ОС больше допустимой.
Из практики известно, что эмиссия загрязняющих веществ из СМ является основным экологическим риском, которому подвергаются объекты ОС при применении СМ, содержащих отходы производства. Прогнозирование вероятности возникновения эмиссии загрязняющих веществ из СМ и тяжести ее последствий позволяет получить необходимую информацию для принятия решений по управлению возникающими при этом экологическими рисками.
Полученные нами результаты экспериментальных исследований по формированию эмиссии загрязняющих веществ из СМ, полученных на основе типичных отходов производства, подвергнутых воздействию агрессивных водных сред, послужили основой для разработки мероприятий по снижению экологического риска при использовании отходов производства в качестве ВМР при производстве и применении СМ.
Экспериментально было установлено, что при прочих равных условиях исключение (уменьшение) объема воды, проникающей в СМ, позволяет исключить (снизить) эмиссию загрязняющих веществ в объекты ОС.
Из смежных областей науки и техники известны методические подходы, направленные на снижение проникающего действия водных растворов в материалы. К ним можно отнести увеличение плотности, гидрофобности и снижение водопроницаемости самих материалов.
Для подтверждения возможности использования этих методических подходов для снижения миграционной активности загрязняющих веществ и, как следствие этого, снижения экологических рисков формирования ЭТН на объекты ОС при использовании отходов производства в качестве ВМР были проведены эксперименты по определению зависимости эмиссии ванадия из шлакового щебня, включенного в состав СМ, с различными характеристиками их плотности и гидрофобности, которые определяли водопроницаемость этих СМ. В качестве модельных сред были использованы следующие виды СМ, полученные на основе шлакового щебня: цементобетон, цементобетон с гидро-фобизатором ГКЖ-10, асфальтобетон с разными коэффициентами фильтрации материала. В качестве проникающего раствора была использована дистиллированная вода, время пребывания образцов в растворе — 30 сут. Полученные данные по изменению эмиссии ванадия из СМ, различающихся величиной коэффициента фильтрации и гидрофобности в зависимости от времени их пребывания, приведены в табл. 2.
В качестве контроля в табл. 2 приведены данные по эмиссии ванадия из шлакового щебня при его размещении в дистиллированной воде. Из табл. 2 видно, что эмиссия ванадия из шлакового щебня кратно выше по сравнению с размещением его в более плотных и гидрофобных средах.
Зависимость содержания ванадия в дистиллированной воде от коэффициента фильтрации СМ, в котором размещен шлаковый щебень, представлена на рис. 3
Табл. 2. Эмиссия ванадия из шлакового щебня, размещенного в различных по водопроницаемости СМ, в дистиллированную воду, мг/дм3
Строительные материалы Сутки Коэффициент фильтрации К,, см/с ф'
1 3 5 7 10 20 30
Шлаковый щебень 0,303 0,511 0,5 0,416 0,086 0,073 0,035 3,5-10-3
Цементобетон на шлаковом щебне 0,045 0,065 0,094 0,083 0,081 0,075 0,025 55^1010
Цементобетон на шлаковом щебне с гидрофобизатором 0,023 0,03 0,035 0,027 0,025 0,017 0,015 18-10-10
Асфальтобетон на шлаковом щебне 0,018 0,023 0,026 0,024 0,016 0,012 0,011 9-10-10
■ I сут
■ 5 сут
- 30 сут
55 18 9
Коэффициент фильтрации, см/с 1 О*10
Рис. 3. Зависимость концентрации ванадия в дистиллированной воде от коэффициента фильтрации СМ, в состав которого включен шлаковый щебень
Из рис. 3 видно, что наибольшая зависимость эмиссии от величины коэффициента фильтрации СМ проявляется на пятые сутки, начиная с момента проникновения воды вглубь СМ, когда она проникает максимально глубоко и поверхности контакта материала, еще не подвержены выраженной кальмотации. В последующие сутки в поровом пространстве материала при контакте с водой повышается содержание соединений кальция и магния, которые препятствуют дальнейшему проникновению воды вглубь материала и частично связывают соединения металлов, тем самым снижая их эмиссию.
Для определения влияния плотности СМ на эмиссию из них тяжелых металлов были использованы образцы цементобетона с плотностью 2400 кг/м3 и пенобетона плотностью 600 и 1200 кг/м3. Шлаковый щебень размером 5 мм равномерно был распределен в бетонной массе. В качестве индикатора использовали ионы ванадия, содержащиеся в шлаковом щебне. Концентрации ванадия в растворе дистиллированной воды в зависимости от времени пребывания и плотности СМ приведены в табл. 3.
Табл. 3. Эмиссия ванадия из шлакового щебня, размещенного в разных по плотности СМ, в дистиллированную воду, мг/дм3
Строительные Сутки
материалы 1 3 5 7 10 20 30
Шлаковый щебень 0,303 0,511 0,5 0,416 0,086 0,073 0,035
Пенобетон, плотность 600 кг/м3 0,110 0,195 0,235 0,197 0,135 0,092 0,033
Пенобетон, плотность 1200 кг/м3 0,087 0,125 0,155 0,138 0,120 0,087 0,030
Цементобетон, плотность 2400 кг/м3 0,045 0,065 0,094 0,083 0,081 0,075 0,025
Как видно из табл. 3, величина эмиссии ванадия зависит от плотности СМ — увеличение плотности приводит к снижению эмиссии. Это связано с уменьшением водопроницаемости СМ и, как следствие, уменьшением контакта щебня с водными растворами, что и приводит к снижению эмиссии загрязняющих веществ.
Результаты экспериментальных исследований по оценке эмиссии ванадия из СМ с различными характеристиками плотности, гидрофобности и водопроницаемости при контакте с водой с переменными значениями рН в условиях открытия новых поверхностей контакта при измельчении СМ, проведенных в типичных условиях, приведут к выводу: с увеличением плотности, гидрофоб-ности и уменьшением водопроницаемости СМОП, снижается эмиссия загрязняющих веществ из СМ в ОС.
Так как установленные зависимости величины и характер эмиссии загрязняющих веществ из СМ, при их контакте с агрессивной средой (водой с различным значением рН) и переменных механических нагрузках полученных на типичных образцах СМ произведенных из широко распространенных отходов производства в обычных условиях, характерных для СМ, их можно использовать для прогнозирования эмиссии загрязняющих веществ из СМ.
В связи с тем, что эмиссия загрязняющих веществ из СМ является основным фактором экологических рисков, возникающих при производстве и использовании СМ, управление этими рисками в целях снижения их до приемлемого уровня в условиях реальных или потенциальных негативных воздействий СМОП, на объекты ОС, возможно за счет использования утилизационных технологий, позволяющих использовать отходы в качестве ВМР при производстве СМ, имеющих более плотную, гидрофобную структуру с наименьшим коэффициентом фильтрации.
Это определяет целесообразность пересмотра нормативной базы по санитарно-гигиенической оценке СМ, содержащих в своем составе отходы производства, с целью включения в их состав показателей учитывающих комплексное воздействие агрессивных природных и антропогенных факторов на всем протяжении жизненного цикла этих СМ.
В связи с тем, что основой экологических рисков, возникающих при производстве и использовании СМОП, является эмиссия из них загрязняющих веществ в результате воздействия комплекса агрессивных природных и антропогенных факторов, для оценки величины и характера этой эмиссии в связи с
высокой затратностью и продолжительностью экспериментальных исследований целесообразно более широко применять методы физического и математического моделирования основных процессов формирования эмиссии, которые позволяют менее затратно получить необходимую информацию на основе экспериментально установленных закономерностей и механизмов. В частности, для математического моделирования характера и уровня эмиссии загрязняющих веществ из СМ при контакте с агрессивными водами могут быть использованы полученные нами результаты экспериментальных исследований по установлению механизмов миграции ванадия и железа из СМ, полученных на основе доменных шлаков, в зависимости от времени, изменения площади контакта, водопроницаемости, плотности, гидрофобности, кальмотации площадей контакта с агрессивной водой с переменными значениями рН.
Библиографический список
1. Леонтьев Л.И., Дюбанов В.Г. Техногенные отходы черной и цветной металлургии и проблемы окружающей среды // Экология и промышленность России. 2011. № 4. С. 32—35.
2. Рябов Г.Г., Суков М.В. Изделия для дорожного строительства на основе отходов промышленности // Известия ТулГУ Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». 2006. Вып. 8. С. 115—118.
3. Dijkstra J.J., Meeusse J.C.L., Van der Sloot H.A., Comans R.N.J. A consistent geochemical modelling approach for the reactive transport of major and trace elements in MSWI bottom ash. Appl. Geochem. 2008. No. 21 (6). Pp. 1544—1562.
4. Eikelboom E., RuwielE., Goumans J.J.J.M. The building materials decree: an example of a Dutch regulation based on the potential impact of materials on the environment. Waste Manage. Oxford. 2001. No. 21 (3). Pp. 295—302.
5. Fthenakis V., Wang W., Kim C.H. Life cycle inventory analysis of the production of metals used in photovoltaics. Renew. Sustain. Energy Rev. 2009. No. 13 (3). Pp. 493—517.
6. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рябов Г.Г. Геоэкологические принципы использования вторичных ресурсов. Тула : Гриф и К°, 2000. 360 с.
7. Пугин К.Г., Вайсман Я.И., Юшков Б.С., Максимович Н.Г. Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии : монография. Пермь, 2008. 316 с.
8. Quintelas C, Rocha Z., Silva B. et al. Removal of Cd(II), Cr(VI), Fe(III) and Ni(II) from aqueous solutions by an E. Coli biofilm supported on kaolin // Chem. Engineering J. July 2009. 149. 1—3. Pp. 319—324. D0I:10.1016/j.cej.2008.11.025.
9. Jackobsen H., Kristoferrsen M. Case studies on waste minimization practices in Europe/ Topic report — European Topic Centre on Waste // European Environment Agency. February 2002. No. 2.
10. Indicator Fact Sheet Signals 2001 — Chapter Waste // European Environmental Agency. 2001.
11. Леонтьев Л.И., Юсфин Ю.С., Черноусов П.И. Отходы: воздействие на окружающую среду и пути утилизации // Экология и промышленность России. 2003. № 3. С. 32—35.
12. Шаповалов Д.А., Груздев В.С. Влияние техногенных выбросов на почву и растительность на примере ОАО «Северсталь» // Экология и промышленность России. 2008. № 7. C. 32—35.
13. Максимович Н.Г., Блинов С.М., Меньшикова Е.А. Воздействие твердых отходов Чусовского металлургического завода на состояние р. Чусовой // Проблемы геологии Пермского Урала и Приуралья : материалы регион. науч. конф. Пермь : Перм. ун-т., 1998. С. 152—154.
14. Пугин К.Г. Негативное воздействие шлаковых отвалов черной металлургии на объекты окружающей среды на примере города Чусового // Экология урбанизированных территорий. 2011. № 2. C. 86—90.
15. Пугин К.Г. Вопросы экологии использования твердых отходов черной металлургии в строительных материалах // Строительные материалы. 2012. № 8. С. 54—56.
16. Schwab O., Bayer P., Juraske R., Verones F., Hellweg S. Beyond the material grave: Life Cycle Impact Assessment of leaching from secondary materials in road and earth constructions // Waste Management. 2014. 34 (10). Pp. 1884—1896. DOI: 10.1016/j. wasman.2014.04.022.
17. Mroueh U.M., Eskola P., Laine-Ylijoki J. Life-cycle impacts of the use of industrial byproducts in road and earth construction // Waste Manage. Oxford. 2001. 21 (3). Pp. 271—277.
18. Susset B., Grathwohl P. Leaching standards for mineral recycling materials — A harmonized regulatory concept for the upcoming German Recycling Decree // Waste Manage. Oxford. 2011. 31 (2). Pp. 201—214.
19. Козлов С.Г., Вязовикова И.В., Черный С.А., Крепышева И.В. Использование отходов содового производства в дорожном строительстве // Фундаментальные исследования. 2013. № 10—12. С. 2604—2611. Режим доступа: www.rae.ru/ fs/?section=content&op= show_article&article_id=10002106. Дата обращения: 28.03.2015.
20. Bhander G.S., Christensen T.H, Hauschild M.Z. EASEWASTE — life cycle modeling capabilities for waste management technologies. Int. J. Life Cycle Assess. 2010. 15. Pp. 403—416.
21. Gаbler H.E., Gluh K., Bahr A., Utermann J. Quantification of vanadium adsorption by German soils // J. Geochem. Explor. 2009. 103 (1). Pp. 37—44.
22. Kosson D.S., Van der Sloot H.A., Sanchez F., Garrabrant A.C. An integrated framework for evaluating leaching in waste management and utilization of secondary materials // Environ. Eng. Sci. 2002. 19 (3). Pp. 159—204.
23. Olsson S., Karrman E., Gustafsson J.P. Environmental systems analysis of the use of bottom ash from incineration of municipal waste for road construction // Resour. Conserv. Recycl. 2006. 48. Pp. 26—40.
Поступила в редакцию в апреле 2015 г.
Об авторах: Пугин Константин Георгиевич — кандидат технических наук, доцент кафедры автомобилей и технологических машин, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»), 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29, (342) 219-80-67, 123zzz@rambler.ru;
Вайсман Яков Иосифович — доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель кафедры охраны окружающей среды, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»), 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29, (342) 219-80-67, 123zzz@rambler.ru.
Для цитирования: Пугин К.Г., Вайсман Я.И. Управление рисками негативных воздействий на объекты окружающей среды строительных материалов из отходов производства // Вестник МГСУ 2015. № 6. С. 73—87.
K.G. Pugin, Ya.I. Vaysman
RISK MANAGEMENT OF THE NEGATIVE IMPACTS OF BUILDING MATERIALS
PRODUCED OF PRODUCTION WASTES ON THE ENVIRONMENTAL MEDIUM
Basing on life cycle analysis of building materials produced of waste products the
authors defined the formation stages of environmental risks of adverse impacts on the
environment. The studies have revealed that one of the main environmental risks is the occurrence of secondary emission of pollutants from building materials produced of waste products when used by the end-user, which is not taken into account by the existing regulatory documents defining the environmental safety of construction materials. The questions of prevention of the possible negative impact of the construction materials based on or with addition of production waste while their use on the environment and population as a result of a number of natural and anthropogenic factors, which can lead to negative ecological effects, which are difficult to forecast, are not regulated enough. In the present conditions of the absence of regulatory framework of their ecological safety the wide use of production waste for obtaining construction materials without account for the possible ecological risks may lead to technogenic burden exceeding the acceptable level.
The authors defined the main ways to reduce the environmental risks when using the resource potential of waste for the production of building materials by reducing the emissions of these pollutants while reducing their permeability.
Key words: production waste, environmental risks, emission of pollutants, building materials, environment.
References
1. Leont'ev L.I., Dyubanov V.G. Tekhnogennye otkhody chernoy i tsvetnoy metallurgii i problemy okruzhayushchey sredy [Technogenic Waste of Ferrous and Non-ferrous Industry and the Environmental Problems]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2011, no. 4, pp. 32—35. (In Russian)
2. Ryabov G.G., Sukov M.V. Izdeliya dlya dorozhnogo stroitel'stva na osnove otkhodov promyshlennosti [Products for Road Construction Based on Production Waste]. Izvestiya TulGU. Seriya «Ekologiya i bezopasnost'zhiznedeyatel'nosti» [News of Tula State University. Series: Ecology and Life Safety]. 2006, no. 8, pp. 115—118. (In Russian)
3. Dijkstra J.J., Meeusse J.C.L., Van der Sloot H.A., Comans R.N.J. A Consistent Geo-chemical Modelling Approach for the Reactive Transport of Major and Trace Elements in MSWI Bottom Ash. Appl. Geochem. 2008, no. 23 (6), pp. 1544—1562. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/j.apgeochem.2007.12.032.
4. Eikelboom E., Ruwiel E., Goumans J.J.J.M. The Building Materials Decree: An Example of a Dutch Regulation Based on the Potential Impact of Materials on the Environment. Waste Manage. Oxford. 2001, no. 21 (3), pp. 295—302.
5. Fthenakis V., Wang W., Kim C.H. Life Cycle Inventory Analysis of the Production of Metals Used in Photovoltaics. Renew. Sustain. Energy Rev. 2009, no. 13 (3), pp. 493—517. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2007.11.012.
6. Sokolov E.M., Kachuzin N.M., Ryabov G.G. Geoekologicheskie printsipy ispol'zovaniya vtorichnykh resursov [Geoecological Principles of Secondary Resources Use]. Tula, Grif i K° Publ., 2000, 360 p. (In Russian)
7. Pugin K.G., Vaysman Ya.I., Yushkov B.S., Maksimovich N.G. Snizhenie ekologiches-koy nagruzki pri obrashchenii so shlakami chernoy metallurgii : monografiya [Decreasing the Ecological Impact while Using Iron Industry Slags : Monograph]. Perm, 2008, 316 p. (In Russian)
8. Quintelas C., Rocha Z., Silva B. et al. Removal of Cd(II), Cr(VI), Fe(III) and Ni(II) from Aqueous Solutions by an E. Coli Biofilm Supported on Kaolin. Chem. Engineering J. July 2009, 149, 1-3, pp. 319—324. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2008.11.025.
9. Jackobsen H., Kristoferrsen M. Case Studies on Waste Minimization Practices in Europe/ Topic Report — European Topic Centre on Waste. European Environment Agency, February 2002, no. 2.
10. Indicator Fact Sheet Signals 2001 — Chapter Waste. European Environmental Agency, 2001.
11. Leont'ev L.I., Yusfin Yu.S., Chernousov P.I. Otkhody: vozdeystvie na okruzhay-ushchuyu sredu i puti utilizatsii [Waste: Impact on the Environment and Ways of Utilization]. Ekologiya i promyshlennost'Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2003, no. 3, pp. 32—35. (In Russian)
12. Shapovalov D.A., Gruzdev V.S. Vliyanie tekhnogennykh vybrosov na pochvu i rastitel'nost' na primere OAO "Severstal" [Influence of Anthropogenic Waste on the Soil and Vegetation on the example of JSC "Severstal"] Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. 2008, no. 7, pp. 32—35. (In Russian)
13. Maksimovich N.G., Blinov S.M., Men'shikova E.A. Vozdeystvie tverdykh otkhodov Chusovskogo metallurgicheskogo zavoda na sostoyanie r. Chusovoy [Influence of Solid Waste of Chusovoy Steel Works on the Condition of the River Chusovaya]. Problemy geolo-gii Permskogo Urala i Priural'ya : Materialy regional'noy nauchnoy konferentsii [Geological Problems of Perm Ural and Cisurals]. Perm', Permsiy universitet Publ., 1998, pp. 152—154. (In Russian)
14. Pugin K.G. Negativnoe vozdeystvie shlakovykh otvalov chernoy metallurgii na ob"ekty okruzhayushchey sredy na primere goroda Chusovogo [Negative Impact of Iron Industry Slagheaps on Environmental Medium on an Exapmple of Chusovoy City]. Ekologiya urban-izirovannykh territoriy [Ecology of Urbanized Territory]. 2011, no. 2, pp. 86—90. (In Russian)
15. Pugin K.G. Voprosy ekologii ispol'zovaniya tverdykh otkhodov chernoy metallurgii v stroitel'nykh materialakh [Ecological Problems of Iron Industry Solid Waste in Construction Materials]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012, no. 8, pp. 54—56. (In Russian)
16. Schwab O., Bayer P., Juraske R., Verones F., Hellweg S. Beyond the Material Grave: Life Cycle Impact Assessment of Leaching from Secondary Materials in Road and Earth Constructions. Waste Management. 2014, 34 (10), pp. 1884—1896. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/j.wasman.2014.04.022.
17. Mroueh U.M., Eskola P., Laine-Ylijoki J. Life-Cycle Impacts of the Use of Industrial By-Products in Road and Earth Construction. Waste Management. Oxford, 2001, 21(3), pp. 271—277. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0713-2743(00)80055-0.
18. Susset B., Grathwohl P. Leaching Standards for Mineral Recycling Materials — a Harmonized Regulatory Concept for the Upcoming German Recycling Decree. Waste Management. Oxford, 2011, 31 (2), pp. 201—214. DOI: http://dx.doi.org/10.1016Zj.was-man.2010.08.017.
19. Kozlov S.G., Vyazovikova I.V., Chernyy S.A., Krepysheva I.V. Ispol'zovanie otkhodov sodovogo proizvodstva v dorozhnom stroitel'stve [Application of Soda Production Waste in Road Construction]. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental Research]. 2013, no. 10—12, pp. 2604—2611. Available at: www.rae.ru/fs/?section=content&op= show_ article&article_id=10002106. Date of access: 28.03.2015. (In Russian)
20. Bhander G.S., Christensen T.H., Hauschild M.Z. EASEWASTE — Life Cycle Modeling Capabilities for Waste Management Technologies. Int. J. Life Cycle Assess. 2010, 15, pp. 403—416.
21. Gabler H.E., Gluh K., Bahr A., Utermann J. Quantification of Vanadium Adsorption by German Soils. J. Geochem. Explor. 2009, 103 (1), pp. 37—44. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/j.gexplo.2009.05.002.
22. Kosson D.S., Van der Sloot H.A., Sanchez F., Garrabrant A.C. An Integrated Framework for Evaluating Leaching in Waste Management and Utilization of Secondary Materials. Environ. Eng. Sci. 2002, 19 (3), pp. 159—204. DOI: http://dx.doi. org/10.1089/109287502760079188.
23. Olsson S., Karrman E., Gustafsson J.P. Environmental Systems Analysis of the Use of Bottom Ash from Incineration of Municipal Waste for Road Construction. Resour. Conserv. Recycl. 2006, 48, pp. 26—40.
About the authors: Pugin Konstantin Georgievich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Automobiles and Production Machines, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), g. 29 Komsomol'skiy prospekt, Perm, 614990, Russian Federation; 123zzz@rambler.ru;
Vaysman Yakov Iosifovich — Doctor of Medical Sciences, Professor, Scientific Supervisor, Department of Environmental Protection, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), 29 Komsomol'skiy prospekt, Perm, 614990, Russian Federation; 123zzz@ rambler.ru.
For citation : Pugin K.G., Vaysman Ya.I. Upravlenie riskami negativnykh vozdeystviy na ob"ekty okruzhayushchey sredy stroitel'nykh materialov iz otkhodov proizvodstva [Risk Management of the Negative Impacts of Building Materials Produced of Production Wastes on the Environmental Medium]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2015, no. 6, pp. 73—87. (In Russian)
