CC BY
43
СЕМИ ДОКЛАД
Р 15
НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2
10СКВА.^МГГУл31яянваряя-я4яфевраляя2000я'0дая
^ А.Г. Шапарь, П.И. Копач,
В.М. Шварцман, 2000
УДК 502:622
А.Г. Шапарь, П.И. Копач, В.М. Шварцман
НЕКОТОРЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОБЪЕКТОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ПРИЛЕГАЮЩИЕ ТЕРРИТОРИИ
Открытые горные работы оказывают воздействие на все компоненты окружающей среды. Однако при проектировании разработки месторождений необходимо наиболее детально проработать тот аспект горной деятельности, который связан с наибольшим повреждением той или иной компоненты окружающей среды. В дальнейшем данный фактор мы будем определять как лимитирующий экологический фактор горно-технологического проектирования. Например, при проектировании и разработке крутопадающих месторождений объемы вскрышных пород возрастают с увеличением глубины ведения горных работ. При увеличении глубины разработки в два раза, объемы вскрыши, размещаемые на поверхности, в общем случае увеличиваются в три и более раз. В данном примере лимитирующим экологическим фактором может стать отсутствие площадей для размещения внешних отвалов. Аналогичная ситуация с отсутствием площадей под отвалы и хвостохранилища наблюдается в настоящее время на ГОКах Кривбасса.
При проектировании и разработке месторождений самородной серы, залегающей в известняковой толще, не было уделено достаточного внимания изучению последствий осушения рудоносного пласта и разработке мероприятий по их предотвращению. Игнорирование данного лимитирующего экологического фактора привело к развитию депрес-сионной воронки, площадь которой превыси-
ла тысячу квадратных километров, повсеместному развитию на осушенной территории карстовых проявлений, что привело в конечном счете к невозможности продолжения открытой разработки месторождения.
При проектировании
сверхмощного экскаватора-драглайна лимитирующим экологическим параметром являются динамические нагрузки от падающей с высоты разгрузки горной породы. Неучет данного аспекта
привел к возникновению явления тиксотропного разупрочнения формируемого отвального массива, что не позволило эффективно использовать мощность и параметры данного оборудования.
При ведении взрывных работ одним из направлений повышения их эффективности является увеличение массы одновременно взрываемого заряда. Взрывание 5 т ВВ образует пылегазовое облако, объем которого составляет 200 тыс. м3, 20 т - 900 тыс. м3, 300 т ВВ - 13,2 млн м3, а при особо мощных взрывах (около 1000 т ВВ) до опасных концентраций загрязняется около 4 млрд м3 атмосферного воздуха. И если при малых и средних взрывах пылегазовое облако практически остается в пределах горного отвода, то при мощных массовых взрывах оно распространяется на 20 и более километров за пределы карьера. Таким образом, масса одновременно взрываемых ВВ также может становиться одним из лимитируемых экологических факторов.
Аналогичных примеров в практике открытых горных работ более чем достаточно. Следует отметить, что горной наукой разработано множество приемов минимизации технологического воздействия на природные системы. Это создание противофильтраци-онных завес, применение систем разработки с внутренним отвалообразованием, использование систем подавления пылегазового облака, выполнение культивации нарушенных горными работами земель и т.п. Однако необходимо признать, что несмотря на все
выполняемые природоохранные мероприятия, после прекращения горных работ остаются ущербные, неполноценные территории с измененным микроклиматом, нарушенным режимом подземных и поверхностных вод, поврежденными биоценозами. Следует признать также тот прискорбный для гордыни человека факт, что «природа знает лучше». И единственное, к чему должен стремиться (с экологической точки зрения) горняк-проекти-ровщик, это как можно полнее выявлять и предусмотреть возможные экологические последствия разработки месторождения. В этой связи ниже более детально рассмотрен аспект проектирования горных предприятий, который, на наш взгляд, не нашел должного отражения в литературе -территориальный аспект.
При современном уровне промышленного освоения территории уже невозможно найти ни одного региона, где бы функционировал только какой-либо один вид хозяйственной деятельности. На большинстве территорий сформирован промышленный комплекс, включающий разнообразные по форме и масштабам воздействия на окружающую среду промышленные предприятия. Но в то же время учет воздействия на природные системы осуществляется отдельно для каждого предприятия. В лучшем случае выбросы соседних предприятий учитываются в фоновых значениях показателей экологического состояния территории. В природной же среде токсиканты взаимодействуют между собой и продукты такого взаимодействия зачастую оказываются значительно опаснее их составляющих.
В настоящее время возникла необходимость комплексной оценки любых видов техногенного воздействия на окружающую среду, даже таких, которые, на первый взгляд кажутся совершенно безвредными, например, выбросы воды и пара.
Анализируя экологическое состояние территории Украины, в качестве наиболее техногенно нагруженного региона выделяют Криворожский железорудный бассейн, параметры воздействия на природные системы в котором в десятки, а по некоторым показателям и в сотни раз превышают средние по стране. Однако, в пределах Криворожского бассейна (площадь которого около 500 км2)
существует промышленная агломерация, аналогов которой в нашей стране, в Европе, и даже в странах СНГ не существует. Это зона южной группы предприятий Кривбасса (ЮГПК), где на площади в 130 км2 расположены металлургический комбинат, коксохимический и цементный заводы, два мощных горно-обогатительных комбината со своими отвалами пустых пород, шламонакопителя-ми, подъездными путями и складами. Высокая концентрация горно-металлур-гического производства обусловила крайне напряженную экологическую ситуацию. Суммарные выбросы данной промышленной агломерации составляют более 80 % выбросов г. Кривого Рога , т.е. около миллиона тонн вредных веществ в год. На один квадратный метр территории ЮГПК приходится 742 кг годовых выбросов вредных веществ.
Естественно, этот объем вредных веществ не аккумулируется в пределах зоны ЮГПК, а распространяется на сопредельные территории, занятые густонаселенными районами города. При соответствующих атмосферных условиях эти выбросы распространяются на сотни и тысячи километров.
Функционирующие на территории ЮГПК технологии требуют значительного количества технической воды, используемой, в основном, в оборотных системах для охлаждения оборудования, заготовок, продукции и т.п. Поэтому кроме выбросов пыли, оксидов углерода, серы, азота, углеводородов, тяжелых металлов и многих других химических элементов, в пределах зоны ЮГПК в атмосферу поступает более 20 млн т пара и 3 млн т мелкодисперсных капель воды. Пароводяные выбросы формируются в результате функционирования значительного количества водоохладительных установок, в том числе 31 башенная градирня, 64 секции вентиляторных градирень и один брызгальный бассейн. В объемном выражении выбросы пара составляют 230 млн м3/час или 1178 км3 в год. Тепловая нагрузка на атмосферу, оказываемая градирнями ЮГПК составляет 384014 ватт/ч. Эта нагрузка соизмерима с энергией некоторых атмосферных процессов, в результате чего в пределах зоны ЮГПК возможно изменение ветрового режима, температуры сред и др. В пределах зоны ЮГПК градирни, вентиляционные и дымовые
трубы, карьеры, отвалы и шламохранилища расположены сравнительно близко друг к другу, в результате чего возможно наложение пылегазовых облаков от взрывных работ факелов выбросов загрязняющих химических элементов и пароводяных факелов градирень. В результате чего пределах зоны ЮГПК возникает ряд эффектов изменения качественного термодинамического состояния атмосферного воздуха.
Это, во-первых, изменение термодинамических и физических параметров атмосферы. В имеющихся на настоящее время моделях распространения выбросов не учитываются тепловые выбросы градирень, изменяющие характер турбулентных процессов в атмосфере, так как градиенты температур в зоне факелов существенно превышают обычные атмосферные градиенты. Это может вызвать изменение распределения примесей, в частности увеличение их приземных концентраций.
Во-вторых, из градирни неизбежен вынос влаги в виде пара и капель. Пароводяной факел градирни влияет на окружающую среду, в результате чего наблюдается тумано-образование, выпадение сконцентрированных капель в направлении ветра, увлажнение территории, образование облаков. Капельная влага затрудняет движение на транспортных магистралях в зимнее время года, может явиться причиной выхода из строя линий электропередач и представляют собой безвозвратные потери значительных объемов воды из оборотных систем предприятий.
В-третьих, при охлаждении загрязненных промышленных оборотных вод градирни могут стать источником химического загрязнения территории. По данным натурных замеров капельный унос через верх башни градирни составляет 0,5-0,6 % от общего циркуляционного расхода воды градирни. При наличии водоуловителей эта величина составляет 0,05-0,06 %. Капельный унос грязного оборотного цикла для зоны ЮГПК составляют 18,0 т/ч или 0,3 % от общего объема пароводяных выбросов. Существует довольно обширная литература, рассматривающая вынос капель и их распределение по площади [1-4]. Анализ литературных источников показывает, что на загрязнение территории
каплями уноса грязного оборотного цикла влияют в основном скорость ветра, температура атмосферного воздуха и атмосферная влажность. Около 70 % выносимой капельной влаги падает на землю на расстоянии 100-200 м от градирни. Остальные 30 % капельной влаги испаряясь в атмосферном воздухе до размера туманов не выпадают из пароводяного шлейфа.
И, в-четвертых, в результате повышения влажности атмосферы, наложения факелов возникают условия для химического преобразования выбросов - их взаимодействия с пароводяной фракцией, взаимодействия друг с другом и образования новых видов загрязнителей, зачастую более опасных чем образовавшие их исходные ингредиенты. Вовлечение загрязняющих веществ атмосферы в пароводяной шлейф может происходить за счет диффузии загрязнений к каплям. Интенсивность процесса обусловлена длительностью контакта между водяной частицей и загрязненным воздухом. При этом возможны следующие механизмы вымывания загрязнения. В случае, когда загрязняющие и паровоздушные шлейфы накладываются друг на друга происходит внутришлей-фовое (объемное) растворение. Если пароводяной шлейф проходит через загрязненную атмосферу процесс накопления загрязнителя имеет характер контактного растворения, так как в процессе участвуют периферийные части шлейфа. В случае наличия интенсивных турбулентных процессов в шлейфе зона контакта увеличивается и наблюдается промежуточный (объемно-
периферийный) вариант растворения. Последний вариант более детально рассмотрим на примере пылегазового облака, возникающего при массовом взрыве.
Пылегазовое облако в этом случае представляет собой некоторый объем переменной величины, который находится в состоянии тепло- и массообмена с окружающей средой. Массообмен состоит в подпитке этого объема очага взрыва и эжекции воздуха из окружающей среды за счет турбулентного перемешивания. Так, при взрывании 300 т ВВ в результате химических реакций образуется 25,2 тыс м3 ядовитых газов. Уже через 2-3 сек объем пылегазового облака составляет 13,2 млн м3. Следова-
тельно, участие окружающего атмосферного воздуха в формировании пылегазового облака весьма значительно. В случае наложения пароводяного шлейфа градирни на пылегазовое облако, последнее эжекти-рует капельную влагу шлейфа, при этом происходит его более интенсивное охлаждение за счет испарения капелек воды. Это снижает высоту подъема пылегазового облака по тепловому фактору.
Состояние атмосферного воздуха в пределах зоны ЮГПК определяется промышленными газообразными выбросами, годовые объемы которых составили 815 тыс. т в год , в том числе сернистого ангидрида -71,8 тыс. т, окиси углерода - 73,9 тыс. т, окислов азота - 26 тыс. т, летучих органических веществ - 3,3 тыс. т, аммиака - 0,75 тыс. т и др.
Так как в атмосфере присутствуют многочисленные химические соединения то между ними возможно протекание различных химических реакций, которые по своему характеру можно разделить на три группы: протекающие в газовой среде (в том числе фотохимические) на поверхности твердых частиц (гетерогенные) и в водной среде.
Газофазное окисление может происходить на молекулярном уровне такими окислителями, как собственно кислород, озон, перекись водорода. Однако, оно намного эффективнее протекает со свободными радикалами. Важную роль в образовании радикалов играют фотохимические процессы. Отсюда следует, что скорость реакции газофазного окисления существенным образом будет зависеть от времени суток, сезона и наличия облачного покрова. Газофазные реакции окисления соединений серы и азота в основном происходят в дневное время суток. В ночное время их протекание может быть обусловлено только молекулярными реакциями, которые проходят существенно медленнее, чем радикальные.
Газофазное окисление двуокиси серы осуществляется по реакциям с гидроксильным радикалом или озоном с образованием триокиси азота, реакция которого с атмосферной влагой приводит в конечном счете к образованию серной кислоты. Расчеты показывают, что летом суммарный коэффициент
среднесуточной скорости газофазного окисления двуокиси серы по газофазовым реакциям незначителен, составляет около 0,015ч-
1, а соответствующее время жизни двуокиси серы примерно 70 ч. Образующаяся при этом трехокись серы практически мгновенно превращается в серную кислоту.
Кроме газофазных реакций, достаточно эффективным механизмом выведения двуокиси серы из атмосферы могут служить гетерогенные реакции, протекающие на поверхности твердых тел, например аэрозольных частиц. Поверхность частиц летучей золы и особенно сажи может адсорбировать как молекулы двуокиси серы, так и молекулы и радикалы окисляющих агентов. Скорость протекания реакций подобного типа весьма велика. Кроме того, на поверхности частиц могут резко ускоряться реакции молекулярного окисления, а также осуществляться реакция окисления перекисью водорода. Общий эффект гетерогенных реакций в окислении двуокиси серы в существенной степени зависит от концентрации частиц, площади поверхности на единицу объема, физикохимических свойств поверхности и т.д. Немаловажным обстоятельством является и то, что при достаточно высокой относительной влажности поверхность частиц покрывается слоем молекул воды. В этих условиях скорость окисления двуокиси серы может возрасти на 1-2 порядка. Естественно, что на первом этапе существование дымового факела скорость окисления двуокиси серы может быть высокой, но по мере очищения атмосферы от частиц, снижение их объемной концентрации и насыщения поверхности вероятность протекания гетерогенных реакций будет уменьшаться.
Третьим механизмом окисления двуокиси серы служит окисление в жидко-капельной фазе. Трансформация Б02 в жидкостной среде происходит за счет химической реакции, протекающей в капельках пароводяного шлейфа. Первая фаза этого превращения представляет собой процесс, в течение которого диоксид серы поглощается капелькой воды. Растворимость диоксида серы в массовых процентах в зависимости от температуры составляет: 13,34 при 10 0С; 9,61 при 20 0С; 5,25 при 40 0С. Кислотность воды в пароводяном шлейфе зависит от окисления в воде
диоксида серы в сернистую кислоту, при этом следует учитывать реакцию нейтрализации. Во второй фазе сернистая кислота окисляется кислородом растворенным в воде до серной кислоты. Перечисленные реакции могут носить каталитический характер, при этом их скорость возрастает на 1-2 порядка. В качестве катализаторов могут выступать, например, ионы марганца и железа, концентрация которых в воздушных массах над зоной ЮГПК значительна. Скорость окисления двуокиси серы в собственно жидкой фазе весьма высока (обобщенная константа скорости превышает 1 ч-1). Однако скорость выведения двуокиси серы из атмосферы этим механизмом определяется не только химическими реакциями, но и вероятностью попадания молекулы в жидкокапельную фазу. Эта вероятность при совмещенном выбрасывании диоксидов серы и пароводяных выбросов безусловно велика.
Основным нейтрализующим щелочным агентом в атмосфере зоны ЮГПК выступает аммиак. Его выбросы составляют 756 т в год. Кроме того, в атмосфере присутствует значительное количество аммиака природного происхождения, который образуется в результате жизнедеятельности почвообразующих бактерий, при распаде мочи животных на сельскохозяйственных фермах, при внесении в землю искусственных удобрений. Присутствующий в воздухе аммиак растворяется в капле и химически реагирует с серной кислотой. Это приводит к нарушению равновесия в системе газ - жидкость и в результате - к растворению дополнительных порций двуокиси серы в капле. Те же самые процессы происходят и при растворении двуокиси азота и газообразной азотной кислоты. Скорость реакции и объемы нейтрализации сернистой или серной кислоты зависит от наличия в атмосфере жидкой фазы и аммиака. Для нейтрализации 1 т серной кислоты при наличии указанных выше благоприятных условий необходимо 173 кг аммиака.
Оксиды азота - второй по важности кислотообразующий элемент выбросов зоны ЮГПК. Характерной особенностью их поведения в атмосфере является то, что в их превращениях существенную роль играют фотохимические реакции, которые имеют су-
точно-цикличный характер. В дневное время под действием солнечного излучения образуется озон, который взаимодействуя с оксидом азота окисляет его до двуокиси азота. Параллельно возможно протекание реакции разложения двуокиси азота на оксид азота и атомарный кислород. В результате этих реакций устанавливается равновесие между озоном, оксидом и диоксидом азота характерным для данного уровня солнечной освещенности. Нарушение этого равновесного состояния возможно растворением диоксида азота в капельках воды с образованием азотной кислоты. Идеальными условиями для образования азотной кислоты является наличие солнечного излучения, обеспечивающего превращение плохо растворимого оксида азота в легко растворимый диоксид азота и достаточное количество атмосферной влаги. Например, в сухом чистом воздухе диоксид серы сохраняется в течение 2-4 или более дней, прежде чем полностью превратится в триоксид. При высокой влажности и в присутствии твердых веществ, катализирующих окисление, полупериод реакции составляет 10-20 минут. За это время половина диоксида превращается в триоксид. Полное окисление второй половины может занять от нескольких часов до нескольких суток.
Основным нейтрализующим агентом азотной как и серной кислоты является аммиак. Однако, в отличии от серной кислоты, нейтрализация азотной происходит в обеих фазах.
Существует несколько механизмов, благодаря которым молекула газа может попасть в каплю: диффузия, соударение, растворение и образование капель на ядрах конденсации. По оценке специалистов [1-3] первые два механизма обеспечивают не более 5 % образования кислот. Вблизи источника выброса, где сера и азот представлены газообразными окислами, а не частицами, основным является механизм растворения. На больших расстояниях ситуация меняется, и главным становится механизм образования капель на ядрах конденсации. Таким образом, определяющим механизмом для оценки процессов кислотообразования в пределах зоны влияния ЮГПК принят механизм растворения.
Анализируя приведенные выше показатели газовых и пароводяных выбросов можно сделать вывод, что состояние атмосферы над зоной ЮГПК, по условию образования кислотных дождей является близким к идеальному. Однако в приведенных выше рассуждениях не рассмотрен такой важный фактор, как вероятность попадания диоксидов серы или азота в жидкую фазу. Данный параметр максимален в случае наложения газового и пароводяного шлейфов. Для оценки вероятности наложения шлейфов необходимо учитывать температуру воздуха и направление ветра, площадной фактор, который обуславливается взаимным расположением источников выбросов и высотный фактор, определяемый термодинамическими параметрами выбросов.
Для установления параметров газового и пароводяного шлейфов мы исходили из теории аэродинамики окружающей среды [5]. В самом общем случае явление выбросов, как газовых, так и пароводяных можно свести к довольно простой модели: изолированная труба, расположенная в вертикальной плоскости перпендикулярно направлению поля стационарного ветра выбрасывает известное количество загрязняющих веществ, обладающих плавучестью. Свободная струя выбросов, за счет атмосферной турбулентности будет иметь вид некоторого криволинейного конуса, ось которого может быть искривлена. Если в шлейфе в момент истечения содержатся капельки воды, и те испаряются при перемешивании со средой, то возможно понижение температуры выбросов и, как следствие, отклонение оси шлейфа от горизонтали к земле. Показатель рассеивания определяется через тангенс угла между линией, параллельной оси конуса и его образующей. Его величина изменяется от 0,05 до 0,15. При распространении на 10 км ширина шлейфа составит 500 и более метров. Высотный фактор обусловлен тем, что если выбрасываемые из трубы газы нагреты, то они поднимаются выше, чем не нагретые. Влияние этого эффекта на образование кислотных осадков тем сильнее, чем ближе температура пароводяного и газового шлейфов. Температура газовых выбросов ЮГПК колеблется от 20 до 400 0С при средней - 250 0С. Температура пароводяных выбросов из-
меняется в пределах 25-50 0С. Таким образом, разница температур пароводяных и газовых выбросов весьма существенна, что обуславливает различные параметры их теплового подъема.
С учетом приведенных выше факторов выполнена оценка вероятности контакта пароводяных и газовоздушных выбросов для различных направлений ветра. Наибольшее количество кислотообразующих выбросов входит в контакт с пароводяными шлейфами градирень при северо-восточном ветре (6,65 т/ч или 59 %) и наименьшее при юговосточном ветре (3,32 т/ч или 30 %). Процесс нейтрализации образованных азотной и серной кислот также зависит от приведенных выше факторов: атмосферного, площадного и высотного. Наибольший уровень нейтрализации кислоты осуществляется при югозападном ветре и равен 0,32 т/час. Годовые объемы кислотообразования, в пределах территории ЮГПК, расчет которых осуществляется с учетом розы ветров, составили 47,4 тыс. т.
Таким образом безопасные на первый взгляд пароводяные выбросы градирень при более углубленном рассмотрении оказываются существенным фактором ухудшения состояния окружающей среды региона, чем это кажется на первый взгляд. В связи с этим при оценке техногенной безопасности территории необходимо в обязательном порядке учитывать этот фактор, поскольку выпадение «кислотных дождей» оказывает огромное влияние не только на экономику, но и на устойчивое функционирование экосистем.
Актуальной проблемой, связанной с недостаточностью учета территориального аспекта, является проблема компенсации за ущерб, нанесенный окружающей среде и здоровью. Зачастую технологические объекты горнодобывающего предприятия расположены на территориях различного административного подчинения, и в этом случае платежи за загрязнение окружающей среды поступают по адресу административной «приписки» предприятия, несмотря на то, что отвалы, шламохранилища и другие экологически опасные объекты расположены на территориях других административных районов. Так, предприятия ЮГПК, находясь в
административном подчинении городу Кривому Рогу перечисляют платежи за загрязнение в его внебюджетные фонды, тогда как население сопредельных сельскохозяйственных районов, непосредственно испытывающих на себе воздействие горнодобывающих предприятий, лишено компенсации за ущерб, нанесенный среде обитания и здоровью. Подобные ситуации являются типичными и для других горнодобывающих регионов.
В этой связи в Институте проблем природопользования и экологии разработана методика распределения платежей за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ с учетом межрайонного воздействия загрязнений, обусловленного трансграничным их переносом. Методика базируется на результатах моделирования рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере. Оценивались массы загрязняющих веществ, выбрасываемых стационарными источниками предприятий и переносимых под воздействием метеорологических условий за административные границы районов их размещения.
Нерешенной территориальной проблемой является также платежи за техногенное воздействие горнодобывающих предприятий на гидросферу. Не всегда учитываются загрязнения вод поверхностными стоками с придорожных полос, технологических площадок, отвалов в поверхностные водоемы. Но совсем не учитывается фильтрация этих стоков, а также вод с отвалов и шламохранилищ в подземные водоносные горизонты. Например, в годовом балансе вод горнообогатительных комбинатов потери за счет фильтрации составили по ЮГОКу - 3,71 млн м3, НКГОКу - 3,47 млн м3. Эти, неучтенные при расчете платежей объемы загрязненных стоков, в конечном итоге оказываются в подземных водоносных горизонтах или открытых водостоках региона.
Приведенные выше примеры необходимости учета территориального фактора для случая интенсивно нагруженной территории показывают, насколько это важно при проектировании таких природопреобразующих комплексов, каким является горнодобывающий комплекс.
1. Кислотные дожди: Ю.А. Израэль и др. Ленинград: Гид-рометеоиздат. 1983, - 206 с.
2. Бретшнайдер Б., Кур-
фюст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений. - Л.:
Химия, 1989. - 288 с.
3. Хорват Л. Кислотный дождь. - М.: Стройиздат, 1990, - 80 с.
4. Заиков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло В.Л. Кислотные дожди
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
и окружающая Среда. - М., Химия, 1991. - 144 с.
5. Скоррер Р.С. Аэрогидродинамика окружающей среды. - М.: Мир, 1980. - 349 с.
У
Шапарь Аркадий Григорьевич - профессор, доктор технических наук, Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины.
Копач П.И., Шварцман В.М. - Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины.
