CC BY
42
© М. А. Пашкевич, М.В. Паршина, 2006
УДК 662.88:502.65
М.А. Пашкевич, М.В. Паршина
ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ ОАО «СЕВЕРОНИКЕЛЬ»*
Семинар № 6
~П связи с тенденцией к росту раз-
X# вития горной отрасли остро встает вопрос о своевременном прогнозе степени токсичности техногенных отвалов и принятию мер по снижению их воздействия на окружающую среду. Актуальность исследований, проводимых в зоне воздействия предприятий по добыче и переработке сульфидных руд обусловлена необходимостью снижения ацидификации атмосферных, поверх-ностных и подземных вод. К наиболее неблагополучным в этом отношении регионам России относится Мурманская область - один из центров горно-добывающей и перерабатывающей промышленности.
Многочисленные исследования техногенных массивов горнопромышленных регионов показали, что под влиянием природных и техногенных факторов минеральные отходы подвергаются выветриванию и трансформации в новые кристаллохимические фазы, что способствует диспергации токсичных элементов и их миграции с грунтовыми водами. Складирование сульфидсодержащих отходов предприятия ОАО «Северони-кель» ведет к возникновению на прилегающих территориях неблагоприятных экологических ситуаций. Происходит формирование кислых природных и дренажных вод и, соответственно, лито- и гидрогеохимических ореолов загрязне-
ния с крайне низкими значениями показателя рН [Пашкевич М. А., 2000].
Основными источниками формирования кислых вод являются промышленные стоки, стоки шлакоотвалов и газовые выбросы, содержащие оксиды азота и сернистый газ [Кондратьев К.Я. и др., 1996]. Формирование кислых вод и, соответственно, лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения с крайне низкими значениями показателя рН, приводит полному уничтожению растительности, трансформации состава покровных отложений, поверхностных и подземных вод, а так же повышению миграционной способности загрязняющих элементов.
Основным источником формирования кислых вод в районе комбината «Северо-никель» являются газовые выбросы предприятия: сернистый газ и окислы азота. В свободной атмосфере 802 окисляется до 803; конечным продуктом фотохимического окисления под действием солнечного излучения является раствор серной кислоты в дождевой воде. В настоящее время в атмосферу ближайшего города Мончегорска поступает свыше 180 тыс. т 802 в год, что может привести к образованию 14 000 м3 Н2804 в год. При неблагоприятных атмосферных условиях рН дождевых вод может достигать 4.
Наиболее значительной техногенной нагрузке подвергается природная среда в
*Работы выполнены при поддержке российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» (ВКНЕ).
районах складирования сульфидсодержащих отходов [Лукашов А.А., 1997]. Основными твердыми промышленным отходами предприятия являются шлаки пирометал-лургического передела, образующиеся в объеме 100-150 тыс. т в год. Документально запротоколировано, что отходы относятся к четвертому классу опасности, то есть являются практически инертными. Проведенные исследования доказывают необходимость повышения класса опасности отходов, вследствие вымыва из них токсичных элементов, обусловленного эрозионными и гипергенными процессами.
Действующий шлакоотвал комбината расположен к северо-востоку от плавильного цеха и развивается в том же направлении. Естественный рельеф имеет уклон на восток и северо-восток к озеру Нюд. Шлакоотвал расположен в непосредственной близости от оз. Нюд, соединенное р. Нюдуай с оз. Имандра - источником питьевой воды населенных пунктов, в том числе города Мончегорска.
Характер сложения массива обусловлен технологией складирования отходов. Огненно-жидкие шлаки поступают в отвал в виде расплава. Расплавленные шлаки сливаются из ковшей на бровку откоса. Стекая по склону, они застывают, образуя косонаклонные пласты, залегающие на пластах, слитых и застывших ранее. При сливе в массе жидких шлаков имеются куски уже застывших. Таким образом, на отдельных участках образуются псевдобрекчии, состоящие из застывших в разное время шлаков.
Поверхность массива остывших шлаков имеет уклон обратный естественному. Абсолютные отметки поверхности шлакоотвала составляют 144-157 м. Максимальная мощность шлаков составляет 32,4 м в северной части площадки, а минимальная - 18,6 м - в ее средней части.
Подстилаются шлаки ледниковыми и водно-ледниковыми отложениями пестрого литологического состава: супеси, суглинки, пески различной крупности. Мощ-
ность торфа, уплотненного толщей шлаков, составляет 0,1-1,5 м.
По данным изысканий прошлых лет мощность пластовых отдельностей от 1 до 20 см. Падение пластов на восток, северо-восток и юго-восток (в сторону слива) под углом от 30° до 45°. Структура шлаков весьма неоднородна. В зависимости от состава исходной породы одни пласты сложены плотными монолитными шлаками, напоминающими базальты другие пласты сложены пористыми, сильнопористыми ноздреватыми шлаками наподобие туфо-лав. Закономерности в чередовании пластов, сложенных различными по структуре шлаками, выявить не удалось.
В результате последовательного слива жидких шлаков и их застывания образуется массив шлаков подобный массиву излившихся вулканических пород трещиноватых, участками пористых, с косонаклонными пластами.
Свежие литые шлаки для скорейшего их остывания поливают водой из железнодорожных цистерн. Это приводит к резкому охлаждению шлаков и их растрескиванию. Размеры трещин шлакоотвала различны - от нескольких сантиметров до десятков метров в длину, от волосяных до раскрытых с шириною раскрытия 0,3-1,0 м.
Подземные воды на площадке шлакоотвала встречены на глубине от 18 м до 29,5 м, в среднем на глубине 27 м. В южной части участка, примыкающей к плавильному цеху, грунтовые воды встречены на глубинах 1,2-8,0 м. Приурочены они к моренным грунтам.
Подземные воды шлакоотвала характеризуются довольно пестрым химическим составом и сильной загрязненностью промышленными стоками (высокое содержание сульфатов при кислой реакции). Кроме того, воды обладают слабой и средней выщелачивающей, углекислой и общекислотной агрессивностью по отношению к бетону нормальной плотности, а также средней и сильной сульфатной аг-
рессивностью по отношению к бетону повышенной плотности.
Помимо подземных вод, в южную часть оз. Нюд попадают сточные воды комбината двумя путями: по каналу Сопча и ручью-коллектору сточных вод.
После канала Сопча (74 %) в приходной части водного баланса южной части оз. Нюд (табл. 1) наибольшую долю имеет ручей-коллектор сточных вод - 13 %. Кобальтовое отделение, в связи с закрытием, составляло менее 1 %.
Сток прочих притоков, в основном, представляющих собой природные воды (талые и дождевые) стекающие с площади водосбора примыкающей к южной части оз. Нюд, в том числе и промплощадки с шлакоотвалом, за исключением водосборов ручья-коллектора и канала Сопча достигал больших размеров (до 1470 м3/час). Это происходит из-за плохого состояния гидротехнических сооружений. Средний расход прочих притоков 270 м3/час (12 % от суммы баланса) приближается к стоку ручья - коллектора.
АО «Институт ГИПРОНИКЕЛЬ» проводили инженерные изыскания по определению гидрохимического баланса оз. Нюд. По результатам их исследований в южную
часть оз. Нюд различными путями выносится в среднем 36 т никеля. Основными путями попадания растворенного никеля являются ручей - коллектор 25 т (62 %) и канал Сопча 10 т (25 %). Прочие притоки дают около 1,2 т (3 %) никеля [АО «Институт ГИПРОНИКЕЛЬ» Технический отчет, 1997].
Еще более существенно влияние ручья-коллектора в загрязнении южной части медью. По нему поступает в среднем 2 т меди за год или 77 % от всей поступившей меди и только 15 % с водами канала Сопча. С прочими притоками поступает 7,6 % меди (примерно 200 кг). Наибольшая часть поступившей в южную часть меди выпадает в осадок (81 %).
Сходен с медью баланс растворенного кобальта: всего за год в южную часть поступает примерно 1,6 т кобальта. Из них 1,1 т (65 %) по ручью-коллектору, 0,4 т (26 %) по каналу Сопча. Остальной кобальт поступил с прочими притоками (0,1 т или 6 %) и от кобальтового отделения (0,04 т или 2,5 %). Из поступившего кобальта порядка 38 % оседает в чаше южной части озера.
Различие в балансе металлов, в основном, состоит в том, что по никелю преоб-
ладает процесс пополнения растворенного металла из других форм (в большинстве из твердой фазы), по кобальту, и особенно, по меди преобладает осаждение металла.
Подавляющее большинство сульфатов (28000 т или 91 %) их поступает по каналу Сопча. Кроме того, заметное количество сульфатов попадает в южную часть оз. Нюд помимо поверхностных притоков (2000 т или 6,4 %). Наиболее вероятным источником дополнительного попадания сульфатов является шлакоотвал с высоким содержанием сульфидов, являющихся источником загрязнения серной кислотой. Всего сбрасывается в северную часть оз. Нюд в среднем 30000 т сульфатов.
Для определения интенсивности прив-носа в оз. Нюд загрязняющих веществ с прочими притоками от шлакоотвала проводилась оценка перехода загрязняющих элементов из шлаков в окружающую среду. С этой целью были проведены исследования. Исследования включали отбор проб шлаков, заскладированных в отвале, различного срока хранения. Исследования шлаковых образцов проводились в три этапа: 1) рутинным (рентгеноспектральный флуоресцентный анализ (РСФА)) анализом, 2) специальным (атомно-
адсорб-ционная спектрометрия (ААС)) анализом, 3) локальным (растровая электронная микроскопия (РЭМ), рентгеновский микроанализ РМА) анализом.
В качестве рутинного анализа использовался РСФА проб по фундаментальным параметрам с использованием спектро-
метра ED2000 (Oxford, Англия). В результате исследований проводимых на рентге-нофлюорисцентном спектрофотометре получено, что отвальные шлаки металлургического производства в основном состоят из двуокиси кремния и окиси железа, вредные примеси представлены металлами в сульфидной форме (рис. 1) и средние данный приведены в табл. 2.
Поскольку целью исследований являлась оценка перехода загрязняющих элементов из шлаков в окружающую среду, использовался специализированный анализ по Европейскому стандарту методом ААС. Для этого были предварительно приготовлены вытяжки из проб, отобранных из отвала, согласно Nordic тесту. Эксперимент показал, что вымываемость элементов значительно зависит от «возраста» образца отхода. Образцы отходов, образованных в начале функционирования отвала изначально содержат меньшее количество тяжелых металлов и соединений серы и хрома. Максимальная вымываемость была отмечена у проб отходов «среднего» возраста (15 лет) и составила примерно Cr 10-20 мг/л, Ni 1,5-2 мг/л, Cu 5-8 мг/л, Со 0,5-1,5 мг/л, S 7 -11 г/л (табл. 2). Интенсивность миграции для рассматриваемых отходов увеличивается с повышением трещиноватости отвала, которая достаточно быстро возрастает даже для отходов с высокой плотностью (3 т/м3) в тяжелых условиях севера: большие перепады температур, сильные ветра и большое количество кислых осадков.
Состав отвальных шлаков Экспериментальная вымываемость элементов из проб
N1 0,1 % 1,5 - 2 мг/л
39 000 т
Си 0,2 % 5 - 8 мг/л
78 000 т
Со 0,05 % 0,5 - 1,5 мг/л
19 500 т
8 8 % 7 - 11 г/л
3 000 000 т
Сг 0,4 % 10 - 20 мг/л
156 000 т
Для понимания физико-химической обстановки в твердом веществе недостаточно определения валовых содержаний, поэтому требуется определение форм нахождения компонентов. С этой целью из образцов шлаков были изготовлены полированные аншлифы для изучения в электронном микроскопе с последующим рентгеновским микроанализом (РМА). Проведенный анализ проб показал, что вынос тяжелых металлов из отвала происходит не только под внешним воздействием кислых осадков. Пробы в общей массе состоят из силикатной основы с вкраплениями тяжелых металлов в различных формах. Анализ показал, что наиболее свежие пробы (срок хранения около 2-х лет) имеют массивную плотную гомогенную структуру, металлы распределены в силикатной массе (рис. 2, а). Образцы среднего возраста (срок хранения около 14 лет) также имеют гомогенную структуру, но они содержат поры: металлы, направляемые в отвал в окисленной форме, взаимодействуя с газовыми включениями, восстанавливаются до сульфидов и даже до шарообразных вкраплений самородных металлов (рис. 2, Ь). У наиболее старых образцов (срок хранения около 29 лет) структура очень гетерогенна, и некоторые сульфиды уже вымыты из пор (рис. 2, с).
РМА позволяет определить элементный состав в каждой точке пробы. Наибо-
лее яркие центральные области сложены преимущественно самородными металлами, более серые участки и оторочка «шариков» представлена суль-фидами этих же металлов. Такие самородно-сульфидные выделения цветных металлов, попадая в зону гипергенеза, служат причиной формирования серной кислоты. Особенно интенсивно процесс восстановления металлов идет в наблюдаемых порах, однако отдельные «микрошарики» наблюдаются и в силикатной матрице [Кузьмин Н.И., 1990]. Таким образом, хранение отходов может привести к значительному попаданию тяжелых металлов в окружающую среду. Также необходимо отметить, что шлак в целом изначально имеет высокую плотность, но в материале, находящемся в отвале более 15 лет, наблюдается значительная трещиноватость, что облегчает окисление тяжелых металлов. Вследствие этого происходит не только загрязнение воды тяжелыми металлами, но понижение показателя рН. Может создаться впечатление что воздействие мало, но если учесть, что объем отвала составляет 39 млн т, и соответственно, содержится N1 - 39 тыс. т, Си - 78 тыс. т, Со - 19,5 тыс. т, Сг - 156 тыс. т, 8 - 3 млн т, загрязнения окружающей среды могут быть значительными.
40|лтч 1 Е1вс1гоп кладе
с
Среди применяемых современных способов снижения формирования кислотных дренажных вод действующих отвалов можно выделить два основных направления:
1) Создание геохимического барьера из карбонатных пород (мел, известь и др.) либо внесение в тело отвала или покрытие слоем кальцийсодержащих пород (известкование Са(ОН)2), либо создание вертикальных фильтрующих сорбционных стенок (при неглубоком залегании водоупоров - 25-30 м).
2) Совершенствование технологии, на стадии образования отвальных шлаков.
бООрш 1 Е1ес»оп I гладе 1
Ь
Рис. 2. Поверхностные пробы отвала, срок хранения: а - 2 года, Ь - 14 лет, с - 29 лет
Для отвалов ОАО «Североникель» наиболее перспективным является способ совершенствования технологии, путем внесения кальцийсодержащих пород в отходы на стадии перелива шлака в вагонетки. Такой реагент приведет к образованию в шлаке нерастворимых соединений серы, и свяжет тяжелые металлы. В тоже время, необходимо нейтрализовать стоки с уже сложенного массива техногенных сульфидсодержащих отходов. Для этого предлагается создание геохимического из-весть-содержащего барьера, на котором не только понизится значение рН загрязненных вод, но и перейдут в нерастворимую форму тяжелые металлы.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кондратьев К.Я., Фролов А.К., Дончен-ко В.К. и др. Экодинамика и экологический мониторинг. СПб, Наука, 1996.
2. Кузьмин Н.И. Безопасность и техногенный риск: системно-динамический подход. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева, 1990, т. 35, вып. 4.
3. Лукашов А.А. Экологические проблемы добычи и переработки сульфидных руд на Российском Севере. Горный жур. №2, 1997.
4. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду, СПб, изд. Санкт-Петербургский горный институт, 2000.
5. АО «Институт ГИПРОНИКЕЛЬ» Технический отчет по инженерным изысканиям «Гидрологические работы по определению водного и гидрохимического баланса оз. Нюд», СПб, 1997.
— Коротко об авторах
Пашкевич М.А. - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой геоэкологии, Паршина М.В. - аспирантка 2-го года обучения кафедра геоэкологии,
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет).
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г. В. ПЛЕХАНОВА
БАТАЕВ Сергей Николаевич Электротехнические комплексы на основе скважинных электротермических устройств для теплового воздействия на пласты высоковязкой нефти 05.09.03 к.т.н.
