Обоснование эколого-технологических положений системы обращения с отходами производства горнопромышленного региона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Обоснование эколого-технологических положений системы обращения с отходами производства горнопромышленного региона

Рябов Геннадий Гаврилович

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Тула 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Качурин Николай Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

русак Олег Николаевич

доктор технических наук, профессор

Фатуев Виктор Александрович

доктор технических наук, профессор

Сергеев Сергей Валентинович

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие» (ОАО «Тульское НИГП»).

Защита диссертации состоится « » 2009 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.09

при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 90, ауд. 6-302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д-р техн. наук, проф. А.Е. Пушкарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные масштабы воздействия на атмосферу и гидросферу, а также техногенная активизация геохимического переноса сопоставимы с геологическими процессами. Очевидно, что развитие человеческого общества невозможно без взаимодействия с окружающей средой, а, следовательно, и воздействия на природу без использования природных ресурсов. Однако стала очевидной настоятельная необходимость проведения фундаментальной реструктуризации современных технологий природопользования, обусловленной эмерджентным проявлением разрозненных и совокупных воздействий на окружающую среду различных отраслей промышленности. Это связано с тем, что отраслевое деление ответственности за производимые отходы не позволяет создать достаточно эффективную систему комплексного обращения с отходами производства, обеспечивающую максимально возможное использование промышленных отходов в качестве минерального сырья.

Вследствие того, что ежегодная мировая добыча минерального сырья составляет около 100 млрд т, только из-за развития отвалов из хозяйственного оборота изымается до 10 млн га земли. В отвалы на протяжении многих лет направляются вскрышные известняки, огнеупорные глины, каолинистое сырье, песчаники, кварциты, фтористые и нефелиновые отходы обогащения, солевые шламы. Накоплено более сотни миллиардов различных горных пород, которые по своему качеству часто превосходят то нерудное сырье, которое добывают предприятия производства строительных материалов.

В России ежегодно образуются около 7 млрд т отходов, из которых используются только 1,5 - 2 млрд т, и под полигоны отчуждается около 10 тыс. га пахотной земли. На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд т только твердых отходов. Среди твердых отходов значительную часть составляют отходы горной промышленности, золы и шлаки ТЭС, шлаки черной и цветной металлургии. По ориентировочным подсчетам, ежегодно в стране образуется более 3 млрд т только отходов горных предприятий.

По данным органов Государственного контроля и надзора за природными ресурсами, доля используемых отходов по стране составляет 5 - 8 %. Например, в Тульской области в 1995 г. было утилизировано 800 тыс. т токсичных и малотоксичных отходов, а в период с 1996 по 2007 гг. этот показатель увеличился на 18,3 %. Однако этот показатель в недавнем прошлом, в промышленности бывшего СССР составлял 29 % . Остается он крайне низким и по сравнению с мировой практикой. В Западной Европе (Франция, Германия, Италия, Англия) этот показатель составляет до 58 %, в Северной Америке (США, Канада) - до 63 %, в Японии - до 87 %, Китае - до 37 %.

Комплексное использование сырья и промышленных отходов металлургических, энергетических, горнодобывающих и химических предприятий является острейшей проблемой не только России, но и любого экономически развитого государства, и, как показала практика, отходы именно этих отраслей промышленности, во-первых, производятся в наибольших количествах, и, во-вторых, представляют серьезную экологическую опасность. Особую остроту эта проблема приобретает в условиях наблюдающегося подъема угольной промышленности в России. Показательными в этом отношении являются Кемеровская и Тульская области.

По данным государственной статистической отчетности за 2006 год, только на территории Кемеровской области образовалось 1 701 366,229 тыс. т отходов производства и потребления. Из общего количества отходов использовано 944 175,894 тыс. т; обезврежено 13,539 тыс. т; размещено на объектах 734 038,251 тыс. т (в том числе на собственных объектах размещено на хранение 732 600,828 тыс. т, на захоронение - 1 437,423 тыс. т). В Кузбассе образование отходов в 2006 году превышает образование отходов 2005 года на 351 689,839 тыс. т (26,18 %). Рост объема отходов обусловлен преимущественно увеличением количества вскрышной породы (V класс опасности) в связи с ростом добычи каменного угля.

Подмосковный бассейн, расположенный в нескольких областях Центрального Федерального округа, имел наибольшую концентрацию горных работ в Тульской области. Тульская область относится к ведущему промышленному региону Российской Федерации с высоким экономическим потенциалом и, как и любой промышленный регион, она располагает «второй геологией» - значительными запасами разнообразных отходов, накопленными в течение десятилетий. Это отходы горнодобывающей, металлургической, теплоэнергетической, машиностроительной, химической и других отраслей промышленности. Общий объем накопленных отходов составляет более 70 млн т с ежегодным поступлением в 10 млн т.

В этих условиях особую остроту приобретает проблема экологически рационального использования отходов производства как вторичного сырья и разработки научных принципов в создании новых технологических регламентов производства товарной продукции из отходов, и, прежде всего, из твердых отходов. Поэтому научное обоснование эколого-технологических положений системы обращения с отходами производства на территории горнопромышленного региона является актуальным.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тематических планов Федеральной целевой программы «Интеграция», межрегиональных научно-технических программ «Прогноз» и «Экологически чистое горное производство», тематических планов госбюджетных и хоздоговорных НИР ТулГУ, а так же при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009 - 2010 гг.»,

Целью работы являлись установление новых и уточнение существующих закономерностей использования отходов производства на территориях горнопромышленных регионов для разработки эколого-технологических положений системы комплексного обращения с промышленными отходами, позволяющей снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных минеральных ресурсов.

Идея работы заключается в том, что теоретические положения создания системы комплексного обращения с промышленными отходами, позволяющей снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных минеральных ресурсов, основываются на установленных физико-химических закономерностях взаимодействия компонентов техногенных месторождений, влияющих на качество вторичного сырья, интенсивность газообмена с атмосферой и энергоемкость технологий утилизации отходов горных предприятий.

Научные положения, выносимые на защиту:

- распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов техногенных месторождений изменяется за время их хранения до некоторого фиксированного значения, а далее материал теряет свои потребительские качества, что формально выражается значением функции плотности распределения полезных свойств минерального компонента, стремящейся к нулевому значению;

- управляемый синтез, протекающий в смеси из двух или нескольких легко смешивающихся между собой отходов горного производства и смежных отраслей промышленности, в результате химических процессов образовывает нетоксичные конечные продукты, являющиеся вторичным минеральным сырьем;

- экологическая оптимизация процесса получения композитов из отходов горного производства формально сводится к задаче линейного программирования, в которой условие неубывания целевой функции, характеризующей энергоемкость технологий переработки отходов, свидетельствует о том, что ее минимум может быть обеспечен при минимуме всех функций, входящих в ее состав;

- нестационарные одномерные поля концентрации кислорода, проникающего в пористую структуру материала, изготовленного из отходов, и концентрации газов, образующихся в данной пористой среде, корректно описываются уравнениями параболического типа в частных производных;

- диффузионные нестационарные одномерные поля концентрации газов, используемых для повышения плотности материала, изготовленного из отходов, представляют собой монотонно убывающие функции, которые стремятся к некоторому асимптотическому значению;

- физически обоснованным и практически целесообразным для расчета валовых выбросов газов в атмосферу при технологических процессах повышения плотности материала является использование методов интегральной газовой динамики.

Новизна научных положений:

- обосновано использование одномерного уравнения гиперболического типа в частных производных для описания динамики распределения средних значений физико-химических и технологических свойств отходов в техногенных месторождениях;

- доказано, что при целенаправленном синтезе в смеси отходов протекают химические реакции, не только способствующие образованию новых ценных сырьевых продуктов, но и производящие работу диспергирования твердой фазы;

- установлены закономерности диффузионного переноса кислорода и газообразных продуктов химических реакций в пористой структуре вещества материалов, изготовленных из отходов, отличающиеся тем, что профили концентраций газовых компонентов описываются с учетом кинетики сорбционного взаимодействия с твердой фазой на макрокинетическом уровне и интенсивности химических реакций;

- термодинамическими расчетами доказаны возможные схемы химических реакций в материалах, полученных из отходов горного производства и сопровождающимися образованием токсичных газов;

- обосновано, что эмерджентный эколого-технологический показатель характеризует энергоемкость технологий переработки отходов горного производства и смежных отраслей промышленности на территории горнопромышленного региона;

- получены расчетные зависимости определения воздухообмена в помещениях, отделанных материалом с пористой структурой, учитывающие кинетику газообмена в замкнутом объеме;

- получены зависимости выделения газов ократирования бетонов в атмосферу при вторичном использовании фторидов кремния.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики и современных достижений вычислительной техники;

- достаточным объемом лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей, обоснованности выводов, рекомендаций и коэффициентами корреляции;

- результатами опытно-промышленной апробации разработанных методик и положительными решениями Государственной патентной экспертизы по заявленным техническим решениям.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны новые технологические подходы к получению композитов из отходов горных предприятий с использованием отходов других отраслей промышленности (новизна подтверждена положительными результатами Государственной патентной экспертизы), позволяющие рационально использовать природные ресурсы за счет вовлечения в технологические циклы отходов горно-металлургических и химико-технологических предприятий, а также тепловых электростанций.

Разработаны комплекты математических моделей для прогнозирования процессов газообмена между воздушной средой и веществом строительных материалов помещений, позволяющие решать задачи воздухообмена; комплекты математических моделей для прогноза валовых выбросов газов ократирования бетонов в атмосферу. Комплекты существенно облегчают решение задач инвентаризации источников загрязнения воздушного бассейна, что повышает эффективность САПР технологических процессов и экологической экспертизы на всех этапах производства и эксплуатации материалов из отходов горных предприятий.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на горных предприятиях г. Тулы и Тульской области и использованы природоохранными службами администрации Тульской области на основе технических условий (ТУ 113-03-26-19-89 «Камни стеновые», ТУ 38.303-25-14-89 «Блоки каменные», ТУ 113-03-26-20-90 «Черепица цементно-песчаная», ТУ 65.05-51-89 «Блоки из бетона на шлакощелочном вяжущем для стен подвала» и др.), технологических регламентов (Технологический регламент на производство камней бетонных стеновых СКЦ-1М 1991 г., Технологический регламент на производство ЧЦМ-1 1991 г. и др.), рекомендаций на производство строительных материалов (Рекомендации по оптимальным составам стеновых полнотелых блоков марок 35-50 1990 г., Рекомендации норм расхода компонентов сырьевой смеси камней бетонных стеновых 1991 г. и др.). Теоретические результаты и технические решения включены в учебные курсы по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов для студентов, обучающихся по специальностям 320700 - Охрана окружающей среды и рациональное природопользование и 270106 - Производство строительных материалов, изделий и конструкций, а также использованы при выполнении договорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Научные положения и практические результаты диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах и конференциях кафедр аэрологии, охраны труда и окружающей среды и строительных материалов ТулГУ (г. Тула, 1985 - 2009 гг.); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (1985 - 2009 гг.); 1-й Международной конференции «Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 1996 г.), 2-й Международной конференции по проблемам экологического образования (г. Тула 1996 г.), 1-й Международной конференции по проблемам экологической и технологической безопасности «Белые ночи» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), 2-м Международном симпозиуме «Remediation of Hazard Wastes» (Чехия, г. Прага, 1997 г.), на совещании представителей общественной организации «Albany-Tula Alliance», от Государственного университета штата Нью-Йорк (США), ТулГУ и администрации Тульской области (г. Тула, 1997 г.).

Керамические изделия из отходов горно-металлургической промышленности экспонировались на Международной Лейпцигской ярмарке (Германия, 1997 г.); Международной выставке в Дюссельдорфе (Германия, 1998 г.), Международной выставке в Берлине (Германия, 1999 г.).

В 2000 г. отдельные разделы работы докладывались на Международном экологическом конгрессе «Новое в экологии, безопасности жизнедеятельности» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия», «Белые ночи - 2000» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.); 3-й Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии»( г. Воронеж, 2000 г.); Международной конференции «Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в 21-й век» (г. Москва, 2000 г).

В 2001 - 2003 гг. доклады представлялись на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2001 г.); IV Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2003 г.); 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2003 г).

В 2005 г. доклад был представлен на VI-м Международном симпозиуме (Югославия), г. Будва, на VI-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2005г.).

В 2007 г. - на III-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2007г.).

В 2008 г. - на VI-ой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 научных работ. В том числе: одна брошюра, три монографии, 29 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 17 авторских свидетельств и 9 патентов, 17 работ - в материалах всесоюзных, всероссийских, международных конференций и других изданиях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 47 иллюстраций, 30 таблиц и список литературы из 300 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, проф. Э. М. Соколову, д-ру техн. наук, проф. Е. И. Захарову за постоянную поддержку и методическую помощь в проведении исследований, а также проф. М. И. Горбачевой, д-ру техн. наук, проф. Н. И. Мелиховой, д-ру техн. наук, проф. И. В. Панферовой за совместную работу и ценные научные и методические советы в разработке проблемы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

отходы производство горнопромышленный

Проблема комплексного использования минерального сырья, утилизация отходов и создание малоотходных и безотходных технологий в ведущих ресурсоемких отраслях промышленности приобрели исключительную актуальность в начале ХХI в. Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации экологически рационального обращения с отходами производства сформулированы в трудах М.И. Агошкова, С.А. Ахраменко, А.В. Долгорева, Б.Б. Бобович, Ю.А. Израэля, К.Н. Трубецкого, П.А. Игнатова, Н.М. Качурина, Е.И. Захарова, А.П. Курковского, Б.Н. Ласкорина, Н.В. Мельникова, Н.Н. Моисеева, Л.Н. Попова, О.Н. Русака, Н.И. Володина, Э. М. Соколова, Н. Н. Семенова, А. Ф. Симанкина, Н. Н. Чаплыгина, П. И. Боженова, и многих других.

Современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме, цель и идея работы определили необходимость постановки и решения следующих задач.

Выполнить анализ формирования отходов производства, пригодных для использования в строительстве, на примере промышленно развитого региона России и обобщить технологические и физико-химические условия переработки отходов на основе закона распределения.

Создать физическую модель и математическое описание динамики распределения физико-химических и технологических свойств отходов производства.

Разработать виртуальные схемы химических реакций, выполнить термодинамические расчеты, провести исследования радиологических свойств исходного сырья, а также фазового состава и молекулярной структуры образцов конечной продукции.

Найти новые технические решения, обеспечивающие экологически рациональные способы изготовления ряда композиционных материалов за счет повторного вовлечения в технологические циклы неиспользуемых отходов производств.

Обосновать физическую модель и математическое описание оптимизации процессов производства композиционных материалов из отходов промышленности, используя в качестве эмерджентного эколого-технологического критерия оптимальности энергоемкость технологических операций.

Разработать физическую модель и математическое описание динамики возможного выделения газов из композиционных материалов с учетом процессов диффузионного газопереноса в пористой сорбирующей среде при карбонизации и ократировании.

Разработать методику расчета воздухообмена для вероятных условий поглощения кислорода и газовыделения в помещениях из композиционных материалов пористой структуры.

Провести цикл лабораторных исследований и промышленных испытаний на ряде предприятий стройиндустрии.

Разработать нормативно-техническую документацию в виде технологических регламентов, технических условий и рекомендаций на выпускаемую продукцию из промышленных отходов.

Использование поверхности Земли - наиболее общая стратегия обращения с твердыми отходами производства. Многолетние наблюдения на территории Подмосковного угольного бассейна показывают, что независимо от количества действующих предприятий на территории угледобывающего региона решение проблемы экологических последствий несовершенной системы обращения с отходами не утрачивает своей актуальности. Подмосковный бассейн включает территории Московской, Тульской, Новгородской, Тверской, Смоленской, Рязанской и Калужской областей. В настоящее время подземная добыча угля в Подмосковном бассейне сведена к минимуму. Однако твердые отходы угледобычи все еще воздействуют на окружающую среду существенным образом. Поэтому отвалы отработанных шахт, полигоны твердых отходов горно-металлургических предприятий и тепловых электростанций должны быть объектами постоянного экологического мониторинга.

Промышленные отходы характеризуются разнообразием состава и свойств и широким спектром направлений использования, поэтому целесообразно создать информационную базу данных по имеющимся и вновь образующимся отходам, что позволит установить стоимость вторичного сырья, требования к хранению и вторичной переработке для оптимального решения задач рационального природопользования.

На территории Подмосковного бассейна в настоящее время находятся около 300 отработавших и действующих угольных шахт и разрезов, большое число предприятий, связанных с переработкой и потреблением угля. Производственно-хозяйственная деятельность предприятий угледобывающего комплекса существенно отражается на воздушной среде, земельных ресурсах, недрах, поверхностных и подземных водах, ландшафте, флоре и фауне региона. В результате деятельности горнодобывающих предприятий в геологической среде области при подземной добыче угля происходят следующие изменения:

- уменьшается количество ресурсов полезных ископаемых;

- нарушается естественное состояние массива горных пород, что приводит к оседанию земной поверхности;

- усиливается миграция природных веществ и загрязнение ими практически всех компонентов геологической среды, в том числе почв и водных систем;

- истощаются запасы подземных вод (при отработке бурых углей подземным способом добыча 1 т угля сопровождается извлечением из недр 25 т воды);

- активизируются экзогенные геологические процессы (эрозии, карст, оползни и др.);

- усиливается миграция природных веществ (в шахтных водах содержание железа, алюминия, марганца, меди, цинка, свинца, мышьяка значительно превышает ПДК - это потенциальный источник загрязнения питьевых вод);

- изменяются природные геофизические поля;

- нарушается защищенность подземных вод от проникновения в них токсичных веществ с поверхности;

- огромные территории заняты под складирование больших масс отвалов горных пород, содержащих многочисленные вредные вещества, вымываемые дождевыми водами и загрязняющие не только почвы, но и различные компоненты геологической среды как на поверхности, так и на глубине;

- нарушаются природные ландшафты, в том числе плодородные земли, леса, водоемы.

Открытые горные работы влекут за собой наиболее глубокие изменения в поверхностном слое земной коры. При их ведении вскрываются и перемешиваются слои (пласты) пород мощностью в несколько десятков метров, полностью нарушается режим подземных, а иногда и поверхностных вод. Шахтами подработано свыше 8,4 тыс. га земли, угольными разрезами - 6,8 тыс. га. В период 1990 - 95 гг., когда объем открытой угледобычи в Подмосковном угольном бассейне, как и в целом по России, резко снизился, а объем рекультивационных работ остался на прежнем уровне, площади рекультивируемых земель в 2 раза превысили площади вновь нарушенных земель.

Все вскрышные породы Подмосковного угольного бассейна могут быть разделены на следующие три основные группы:

- потенциально плодородные (почвенный слой и почвообразующая порода):

- индифферентные (желто-бурые пески и супеси, серые и буровато-желтые суглинки и глины, рыхлые различной степени озеленения пески и супеси, светло-серые и коричневые пески, известняк);

- токсичные (тёмно-серые надугольные глины, темно-серые супеси и суглинки).

Ежегодно шахты выдают на поверхность пустые породы в объеме 10 - 20 % от общего объема добываемого угля. Суммарный объем породы, накопившейся на территории Подмосковного бассейна за период 1929 - 94 гг., составляет 160 - 180 млн м3 при общем объеме добычи 1,8 млрд т. Площадь земельных угодий для их размещения равна 350 - 400 га, а с учетом ареалов загрязнения - 5 - 6 тыс. га. На начало 1995 г. только в отвалах действующих шахт находилось до 45 млн м3 породы. Как показали исследования, вокруг шахт, разрезов, карьеров, терриконов, отвалов, мест скопления промышленных и бытовых отходов угледобывающих предприятий образуются ареалы загрязнения поверхности и подземных вод. Размеры их различны, радиус распространения достигает 10 - 15 радиусов объекта. Площадь с наиболее высокой степенью концентрации загрязнения составляет 2 - 3 площади самого объекта. Формы воздействия на элементы биоты различных источников, являющихся следствием работы горнодобывающих комплексов в Подмосковном угольном бассейне, представлены в табл. 1. Таким образом, деятельность предприятий угледобывающего комплекса Подмосковного бассейна играет заметную роль в нарушении земной поверхности и загрязнении окружающей среды и может быть расценена как экологически опасная.

Основными причинами такого положения являются:

- особенности горно-геологических и гидрогеологических условий угольных месторождений: небольшая глубина залегания, неустойчивость вмещающих пород;

- низкий технический уровень технологий, способов и средств, применяемых при выполнении отдельных процессов и операций по добыче угля, что не позволяет вести отработку угольных месторождений с закладкой выработанного пространства попутно добываемой породой;

- отсутствие единой постоянно действующей системы обеспечения экологически безопасной деятельности угледобывающих предприятий и контроля за ее соблюдением.

Распределение отходов по классам опасности для окружающей природной среды Кузбасса представлено в табл. 2.

Таблица 1

Формы воздействия угольных шахт на элементы биоты

Источник воздействия	Форма воздействия	Поражаемые элементы биоты	Характер поражения	Формы расширения зоны воздействия
Выработанное пространство	Обрушение подрабатываемых пород	Поверхность Земли	Провалы	Эрозия земной поверхности и почв
				Засорение пылью почв и поверхностных вод
		Водные объекты на поверхности и водоносные толщи	Дренаж	Расширение депрессионной воронки
	Оседание пород с образованием трещин в водоупорных основаниях	Водные объекты с нарушенным водоупорным основанием	Дренаж	Расширение депрессионной воронки
	Оседание пород	Поверхность Земли. Грунтовые воды	Подтопление почв
Хранилища отходов	Создание ландшафтных новообразований	Поверхность Земли	Загромождение	Засорение почв, грунтовых поверхностных и подземных вод пылью и зоо- и фито-токсичными компонентами
				Подтопление почв

Одни из важнейших факторов в отношении полигонов твердых отходов, отвалов угольных шахт, горно-металлургических предприятий и тепловых электростанций, определяющих их санитарно-гигие-ническую, экологическую и технологическую перспективность, - это структура и состав отходов, а также физико-химические свойства веществ, слагающих складируемую твердую смесь.

В Тульской области имеется ряд отходов, которые из-за повышенной токсичности или ряда других причин, не нашли широкого применения ни в одной отрасли народного хозяйства, в том числе и в производстве строительных материалов. К числу таких отходов относятся саморассыпающиеся металлургические шлаки, например, феррованадиевые шламы, содержащие агрессивные кислоты (НF, HCl, H2SO4, H3PO4), отходы угледобычи, буроугольные золы, шлам газоочистки доменных печей и многие другие.

Таблица 2

Распределение образовавшихся отходов по классам опасности для окружающей природной среды Кемеровской области

Класс опасности	2005 год	2006 год
	Масса отходов, тыс. т	Доля по классам опасности, %	Масса отходов, тыс. т	Доля по классам опасности, %
Всего	1 349 676,390	100,00	1 701 366, 229	100,00
I класс	12,014	0,001	11,945	0,001
II класс	40,676	0,003	32 ,960	0,002
III класс	97,827	0,007	277 ,617	0,016
IV класс	6 381,449	0,473	7 584,711	0,446
V класс	1 343 144,424	99,516	1 693 458,996	99,535

Самораспадающийся феррованадиевый шлак АК «Тулачермет» представляет собой порошкообразный высокодисперсный продукт белого цвета, имеющий следующий химический состав: [SiO2]=28,6 %; [Аl2О3]=2,3 %; [СаО]=59,96 %; [МgO]=13,76 %; [ТiO2]=0,78 %; [V2O5]=0,3 %; [FeO]=0,21 %; [МnO]=0,09 %; [Р2О5]-следы. Часть оксида кальция в составе этого шлака находится в связанном состоянии в виде минерала g-2СаОSiO2, образующегося при самораспаде шлака в результате полиморфного превращения b-2СаОSiO2. Вторая часть оксидов кальция и магния

(8 … 10 %) находится в свободном пережженном состоянии, что особенно ограничивает непосредственное применение этого шлака в сырьевых смесях строительных материалов, так как медленное и запоздалое гашение этих оксидов в затвердевших растворах или бетонах приводит к их разрушению.

Особый интерес для производства композитов представляют отработанные катализаторы при производстве аммиака, не подлежащие регенерации, например, катализаторы типа «К-482», «СНТК-I-7», «ГИАП-3» и др. Установлено, что катализатор «К-482» в тонкомолотом состоянии может выполнить функцию наполнителя и одновременно пигмента для декоративных вязко-текучих растворов с применением магнезиального вяжущего.

Также установлено, что отработанный отход «ГИАП-3», содержащий повышенное количество Al2O3, может применяться как добавка в шихту производства минеральной ваты взамен брака керамического кирпича. Отработанный отход «ГИАП-3» улучшает физико-механические свойства и жаростойкость шлакощелочных вяжущих. В этом направлении работа продолжается и находится на стадии испытаний. Особенно ценным отходом для производства композиционных материалов является отработанный катализатор «СТК-I-7», то есть катализатор железохромовой конверсии окиси углерода. Насыпная плотность гранул катализатора 1500 … 1700 кг/м3, цвет - темно-коричневый с вишневым оттенком. Катализатор «СТК-I-7» в сравнении с катализатором «К-482» содержит незначительное количество ионов SO3, что позволило испытать его в качестве пигмента в цементно-песчаных растворах и шлакобетонах.

Жидкий отход производства витамина А - водно-кислый раствор - представляет собой бесцветную жидкость без запаха плотностью 1,02 … 1,03 г/см3.Этот отход получается на второй стадии промывания d-иона - полуфабриката витамина А. В состав водно-кислого раствора входят: серная кислота 7,8 … 8 %; соляная кислота 0,13 … 0,2 %; сульфат натрия 0,25 … 0,3 %; следы органических смол и вода.

При обработке феррованадиевого шлака водно-кислым раствором происходит химическое взаимодействие кислот этого раствора с MgO и CaO, входящих в состав феррованадиевого шлака. Этим обеспечивается соответствующий ускоренный период в процессе приготовления сырьевой смеси силикатного кирпича MgO в Mg(OH)2 и CaO в Ca(OH)2.

В Тульском государственном университете исследован отработанный катализатор «К-482», не поддающийся регенерации и поступающий по мере отработки в отвалы. Отработанный катализатор «К-482» представляет собой темно-коричневые с бордовым оттенком гранулы в виде цилиндров с длиной 1,5 … 2 см и диаметром 0,5 … 0,7 мм и твердостью по шкале Маоса 2 … 2,5. Гранулы легко измельчаются до удельной поверхности 2000 см2/г и более. Эти отходы имеют следующий химический состав: гематит (Fe2O3) 89,2 … 90,4 %; оксид хрома (Cr2O3) 5,6 … 8,23 %; сульфат аммония (адсорбированный) (NH4)2SO3 остальное.

Отходы, которые образуются при обогащении углей, в среднем составляют 3 т на 1 т угля с постоянным ростом соотношения в сторону образования отхода к добываемому углю. Дисперсность отвалов составляет 1,9 … 3,0 мм в верхних ярусах и более 50 мм в нижних ярусах отвалов. Терриконы шахт Подмосковного бассейна имеют следующий состав: SiO2 - 53,7 … 83 %; Al2O3 - 9,6 … 16,4 %; Fe2O3 - 0,4 … 5,0 %; TiO2 - 0,3 … 1,1 %; MgO - 0,15 … 0,25 %; СаО - 0,3 … 2,5 %; МnO2 - 0,01 … 0,02 %; К2О - 0,2 … 0,8 %; Р2О5 - 0,02 … 0,5 %.

Кислотность отвалов составляет (3 … 5)рН и определяет класс токсичности. Состав железного колчедана: Fe - 27 … 45 %; S - 32 … 40%; С - 4,5 … 16 %; SiO2 - 7 … 10 %; Al2O3 3,3 %; СаО - 0,8 %; МgO - 0,6 %; МnО - 0,1 %; Сu - 0,5 %; Zn - 0,5 %; Рb - 0,5 %; Аs - 0,1 %; Sn, Ni, Be, B, V, Cr, Co, Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Se, I - следы.

Бурые угли Подмосковного бассейна характеризуются сложным петрографическим составом и подразделяются на две группы: гумолиты, сапропелиты (последние встречаются редко). В зависимости от зольности бурые угли подразделяются на группы, (ГОСТ - 4810 - 73): 1) А < 30,0; 2) А = 30,0 … 35,0; 3) А = 35 … 40; 4) А = 40 … 45, где А - зольность, %. Это высокосернистые угли, с содержанием общей серы более 3 %.

Химический состав углей определяет содержание компонентов золы, основными из которых являются кремнезем - SiO2 и глинозем - Аl2O3, которые в сумме составляют 80 - 90 %, редко снижаясь до 70 %.

Технический анализ Подмосковных углей: влага рабочая WP - 32 … 40 %; влага горючая WГР - 7,5 %; зольность на сухую массу А - 39 … 45 %; сера общая S - 4,2 %; выход летучих на горючую массу V - 48%; высшая теплота сгорания - 27,5 МДж/кг; низшая теплота сгорания - 9,88 МДж/кг.

Горючая масса бурых углей Подмосковного бассейна имеет следующий химический состав: сера колчеданная, Sk - 4,4 %; сера органическая, SОР - 2,5%; углерод, СГ - 66,0 %; водород, НГ - 5,2 %; азот, NГ - 1,1 %; кислород, ОГ - 20,8 %. В рассматриваемых углях среднее содержание микроэлементов, г/т сухого вещества: Тi - 1350; Zn - 170; Zr - 116; Mn - 30; Pb - 27; V - 27; Nb до 25; Ni - 21; Мо - 20; Y - 18; Ga - 17; Сu - 9,5; Сr - 9,0; La - 6,3; Со - 5,16; Se - 4,5; Ве - 3,7; Sn - 2,3; Ge - 1,4; Аg - 0,6; Нg - 0,004.

Химический состав золы в расчете на биосульфидную массу: SiO2 - 46 %; Аl2O3 - 32 %; Fe2O3 - 15 %; CaO - 4 %; Mg - 1,0 %; R2O - 0,7 %; Na2O - 0,3 %; TiO2 - 1,0 %.

Золы ТЭС (золошлаковые отходы (ЗШО) от сжигания углей подмосковного бассейна) содержат Аl2О3 - 28 … 40 %; SiO2 - 45 … 58 %; Fe2O3 - 6 … 11 %, а также скандий, цирконий, титан, иттрий, галлий и др. металлы, присутствующие в буром угле.

Отходы металлургического производства составляют один из основных источников вторичного сырья для производства строительных материалов. Доменный металлургический шлак ОАО «Косогорского металлургического завода» с насыпной плотностью 800 … 1100 кг/м3 имеет следующий химический состав: SiO2 - 8,5 … 8,94 %; Al2O3 - 2,33 … 2,67 %; FeO - 13,13 … 13,30 %; Fe2O3 - 62,81 … 63,26 %; MnO - 0,28 … 0,30 %; Mg - 3,32 … 4,38 %; Cl-- - 9,7 … 12,8 %; H2O - 3,4 … 11,60 %.

Ферромарганцевые гранулированные шлаки имеют насыпную плотность 700 … 900 кг/м3; содержат 50 … 80 % стекловидной и 20 … 25 % кристаллической фазы (силикаты кальция, алюмосиликаты, оксиды железа, и кальция). Среднее содержание компонентов, %: Mn - 1,5; Cu - 0,05; Zn - 0,7; Au - 0,3; редкоземельных элементов - 0,1 … 4,0.

Ферромарганцевая колошниковая пыль содержит следующие компоненты: SiO2 - 9,9 … 13,7 %; Mn3O4 - 25,8 … 33,9 %; Fe2O3 - 5,86 … 14,7 %; CaO - 8,15 … 9,5 %; (Na2O + K2O) - 4,13 … 5,75 %; S - 0,85 … 1,38 %; Al2O3 - 2,85 … 2,90 %; FeO - 2,15 … 2,26 %; P - 0,13 … 0,15 %; C - 25 … 30 %.

Следовательно, целенаправленный синтез малоиспользуемых отходов, таких как, феррованадиевые шлаки и шламы, содержащие агрессивные кислоты (НF, HCl, H2SO4, H3PO4), отходы угледобычи, буроугольные золы и шлам газоочистки доменных печей в результате самопроизвольного химического процесса, протекающего между компонентами смешивающихся отходов, может образовывать нетоксичный конечный продукт, играющий роль ценной добавки или сырья для производства строительных материалов. Как правило, конечный продукт почти не требует дополнительных затрат энергии на его обработку.

Радиологическая характеристика отходов, которые можно использовать при производстве композиционных материалов и изделий, исследовалась путем измерения активности радионуклидов, находящихся в отходах. Измерения проводились с использованием гамма-спектрометрического тракта на базе анализатора АИ-4К с полупроводниковым детектором типа ДГДК-125В с аналоговым блоком в стандарте «Вектор». Методика была разработана с учетом рекомендаций Государственной системы обеспечения единства измерений МИ 2143-91 по определению активности радионуклидов.

Программное обеспечение сопряженной со спектрометром ЭВМ по обработке спектров и расчету активности отвечало алгоритму измерения активности пробы с заданным нижним пределом: Аmin > А0, где А0 - активность с заданным нижним пределом; Аmin - минимальная активность фона. В качестве контрольного образца был исследован элементный состав пробы смеси скальных пород. При исследовании элементного состава пробы смеси скальных пород определялось содержание радионуклидов и примесей металлов. Результаты измерения удельной активности отходов, которые могут использоваться для производства строительных материалов, свидетельствуют о том, что удельная активность изменяется в пределах от 101 до 713 Бк/кг, а ее среднее значение составляет 305,1 Бк/кг. Анализ результатов статистической обработки данных вычислительных экспериментов показал, что наиболее приемлемой является гипотеза о нормальном законе распределения. В целом исследования показали, что исследованные отходы могут использоваться в качестве вторичного сырья для производства строительных материалов.

Отходы в процессе хранения изменяют свои свойства, поэтому знание динамики этого процесса является основой системы комплексного мониторинга обращения с любыми видами вторичного сырья. В качестве эмерджентной характеристики состояния складируемой твердой смеси целесообразно использовать функцию распределения i для i-го физико-химического свойства как слагающих компонентов, так и массы отходов в целом. Такая функция может быть легко идентифицирована. Например, i = 1 - плотность отходов, представляющая собой объемное распределение массы; i = 2 - удельная активность, характеризующая объемное распределение интенсивности радиоактивного распада радионуклидов в отходах; i = 3 - концентрация j-го компонента в отходах, которая является распределением массы компонента в составе твердой смеси (это распределение легко представить в виде распределения массы по объему смеси). Математическая модель динамики распределения физико-химических свойств отходов на полигонах и в отвалах имеет следующий вид:

, (1)

, (2)

где t, ф - время процесса и длительность хранения соответственно; лi - константа скорости изменения i-го свойства; сio, сic - плотность распределения во времени i-го свойства отходов в начальный момент времени (т.е. в момент их образования) и в момент времени, соответствующий началу хранения.

Решение краевой задачи (1) - (2) получено в виде

(3)

Результаты вычислительных экспериментов (рис. 1), анализ которых показал, что распределение средних значений физико-химических и технологических свойств отходов при их складировании на поверхности Земли изменяется за время хранения до некоторого фиксированного значения, равного сic exp(-лiф). Решение (3) справедливо, пока время хранения отходов t не превосходит некоторого предельного значения ф. Далее материал может терять свои потребительские свойства, что формально выражается значением плотности распределения этих свойств, стремящейся к нулю (весь запас техногенного сырья отгружается потребителю или выбывает из категории балансовых запасов из-за истечения срока годности). Аналогичный подход вполне приемлем к оценке плотности распределения свойств уже изготовленных композиционных материалов и изделий. В этом случае можно оценить срок службы материала, задав вектор критических значений плотности распределения эксплуатационных свойств. Тогда оценивается и период образования новых отходов, но уже на этапе эксплуатации изделий.

С ростом использования отходов в производстве композиционных материалов необходимо совершенствовать вопросы исследования экологической безопасности помещений, в которых будут использоваться те или иные материалы и строительные изделия. На современном этапе развития знаний по данному вопросу целесообразно рассмотреть виртуальные (не запрещенные законами термодинамики реагирующих сред) схемы химических реакций в строительных материалах из отходов производства горной промышленности.

В технологии холодного твердения низкотемпературные модификации SiO2 CaF2 и SiO2 P2O5 разлагаются водой:

(4)

Серосодержащие компоненты также разлагаются молекулами воды:

(5)

Расход кислорода на процессы окисления оксидов и сульфидов металлов низших степеней окисления:

(6)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Графики зависимости сi от при различных значениях параметра лi, при лi, соответственно равном: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 3; 4 - 4; 5 - 5; 6 - 6; 7 - 7; 8 - 8; 9 - 9; 10 - 10

Вероятность реализации той или иной схемы химических реакций определяется внешними условиями, но при этом разработка мероприятий по защите среды обитания людей от вредных воздействий является обязательной. В целом результаты исследований показывают, что в определенных условиях возможно образование токсичных примесей в материалах.

Термодинамические расчеты подтвердили вероятность виртуальных схем и показали, что при определенных технологических приемах возможно образование минералов типа щелочных и щелочно-земельных алюмосиликатов, а также газовых выделений. Для проверки термодинамических расчетов были выполнены комплексные исследования, включающие петрографические, дифференциально-термические, ИК-спектральные, рентгеноструктурные исследования образцов, полученных из отходов. При этом изучались структура, фазовые переходы, процессы минералообразования.

Рентгенограммы твердой фазы материала, термограммы и ИК-спектрограммы (рис. 2, 3, 4) подтвердили наличие указанных минеральных новообразований в виде анальцима, натролита, вайракита.

Рис. 2. Рентгенограммы композита состава «шлак + плав + террикон»



1 - кривая потери в массе;

2 - кривая эндотермического эффекта.

Рис. 3. Термограмма анальцима

ИК-спектр анальцима (а),

ИК-спектр того же образца после дейтрации (б).

Рис. 4. ИК-спектрограммы анальцима

Структура материала (рис. 5) характеризуется наличием капиллярных и глеевых пор - открытых, закрытых и сообщающихся - размером от 9·10-7 м до 10-9 м, т.е. в общем объеме материал имеет капиллярно-пористое строение.



Рис. 5. Структура капиллярно-пористого материала, полученного из промышленных отходов (-x400)

При этом такие ситуации возможны как для материалов, полученных из отходов, так и для композитов из традиционных (природных) материалов, которые принято считать безопасными по газовому фактору. Это, в первую очередь, жилые помещения и рабочие помещения гражданских и промышленных зданий. В целом, проведенные комплексные исследования показали, что важнейшую роль в решении экологических и природно-ресурсных проблем должны сыграть методы системного анализа и математического моделирования процессов экологически безопасного производства и эксплуатации строительных материалов из отходов, образующихся на территории горнопромышленного региона.

Планы социально-технического развития, включающие крупномасштабные проекты использования отходов, обязательно должны оцениваться по их долговременным экологическим последствиям. Эти принципы были использованы при разработке новых способов производства строительных материалов из отходов горного производства и ТЭК. Характеристики некоторых из них приведены в табл. 3.

Таблица 3

Формовочная вяжущая смесь (патент № 2118624 от 10.09.98)

Компоненты смеси и наименования свойств	Номер опыта, состав смеси (%) и показатели свойств
	1	2	3	4
1.Низкокальциевая буроугольная зола-унос	70	75	-	-
2.Смесь золы-уноса и молотого котельного шлака	-	-	77,5	77,95
3.Известь-пушонка	10	12,5	15,0	20,0
4.Полуводный гипс	18	10,25	5,0	2,0
5.Сера	2	2,25	2,5	-
6.Жидкий отход производства полистирола	20	21,0	22,5	-
7.ПАВ	-	-	-	0,05
8.Вода	-	-	-	20
Свойства
1.Средняя плотность спрессованных сухих образцов смеси, кг\м3	1500	1450	1400	1750
2.Предел прочности при сжатии, МПа	16,1	16,5	16,8	8,2
3.Коэффицент конструктивного качества (Rсж/c)•103	10,7	11,4	11,5	-

Положительные решения Государственной патентной экспертизы подтвердили, во-первых, новизну технических разработок, во-вторых, их экологическую рациональность, так как целью изобретения являлось решение природоохранных задач. По данным разработкам получено 17 авторских свидетельств и 10 патентов.

Сущность предлагаемых экологически рациональных технологий производства строительных материалов заключается в том, что разработанные новые составы и способы их изготовления обеспечивают следующее:

- выбросы в атмосферу газов снижаются, значительно уменьшается расход цемента, извести, гипса, качественных заполнителей;

- новые технологические схемы позволяют использовать отходы производства капролактама, доменные шлаки и шламы, гидроотвальную буроугольную золу, отходы производства мела и терриконов;

- все новые строительные материалы соответствуют требованиям нормативно-технической документации по ряду физико-механических и химических свойств.

Для различных строительных материалов разработаны технические условия (ТУ 113-03-26-19-89 «Камни стеновые», ТУ 38.303-25-14-89 «Блоки каменные», ТУ 113-03-26-20-90 «Черепица цементно-песчаная», ТУ 65.05-51-89 «Блоки из бетона на шлакощелочном вяжущем для стен подвала» и др.), технологические регламенты (Технологический регламент на производство камней бетонных стеновых СКЦ-1М 1991 г., Технологический регламент на производство ЧЦМ-1 1991 г. и др.), рекомендации (Рекомендации по оптимальным составам стеновых полнотелых блоков марок 35-50 1990 г., Рекомендации норм расхода компонентов сырьевой смеси камней бетонных стеновых 1991 г. и др.).

Для разработки физической модели и математического описания оптимизации процессов производства композиционных материалов из отходов был использован метод Минскера и Пиготта. В соответствии с этим методом для производственного цикла были построены структурные схемы, ориентированные графы и матрицы смежности и установлено, что задача оптимизации процесса переработки отходов и получения из них композиционных материалов может быть формально сведена к задаче математического программирования. В общем виде эту задачу можно записать как F(x) min, gi (x) 0, i=1,m, gj (x) 0, j = m+1, m+n, где F(x), gi(х), gj(х) функции составляющих вектора x = (х1, х2, х3, …, xn); m число ограничений, неравенств; n число уравнений. Если множество элементов вектора «x» разбивается на непересекающиеся подмножества, то целевая функция может быть представлена как монотонная функция аргументов, т.е. условие неубывания целевой функции F(x) свидетельствует о том, что ее минимум может быть обеспечен только при минимуме всех аргументов, входящих в эту функцию.

Рассматривая произвольную технологическую операцию, можно утверждать, что в первом приближении скорость изменения энергии процесса пропорциональна разности средних скоростей потребления и поступления энергии из внешних источников, что описывается уравнением:

(7)

где Еi общее количество энергии, затраченное на выполнение i-й операции; Кi константа скорости потребления энергии при выполнении i-й технологической операции; Е i предельное значение энергоемкости i-ой технологической операции.

Результаты вычислений с использованием данных зависимостей показывают, что полученные зависимости отношений энергозатрат к предельной энергоемкости от времени при различном значении коэффициента Кi, можно выразить как логарифм отношения энергий, т.е. ln[Е i /( Е i - Е i)] = = Кi t. Таким образом, целевая функция будет представлять собой линейные комбинации произведения констант Кi на длительность технологических операций ti, т.е. имеет место уравнение K1t1 + K2t2 + K3t3 + … + Kn tn = F min, что выражает каноническую форму задачи линейного программирования с исследованием целевой функции на глобальный минимум. Таким образом, основные результаты оптимизации технологических процессов получены в виде оптимальных длительностей операций каждого технологического цикла.

Анализ эколого-технологических решений показал, что взаимодействие газов с веществом бетона из отходов горных предприятий в процессе карбонизации или ократирования (рис. 6) происходит за счет проникновения газов в пористую структуру бетона и диффузионного переноса газовых молекул в микропорах и по внутренним поверхностям твердого скелета. Система внутренних пор является в этом случае транспортными каналами для проникновения газов внутрь бетона.

Следовательно, процессы диффузионного переноса углекислого газа и фтористого кремния в бетоне из отходов горных предприятий необходимо учитывать при оценке экологической рациональности технологии производства такого материала. Математическая модель поля концентрации i-го газа в структуре такого материала имеет вид:

(8)

где Di - коэффициент эффективной диффузии; Гi - постоянная Генри для процесса сорбции i-го газа веществом строительного материала; ui(0) - начальная скорость сорбции i-го газа; сi(в) - концентрация i-го газа в газовой смеси на внешней поверхности строительного материала.

Результаты вычислений (рис. 7, 8) показывают, что концентрация и диффузионный поток газа, проникающий в пористую структуру бетона, стремятся к некоторому постоянному значению, которое достигается через достаточно длительное время. Численно это предельное значение можно определить по формуле:

, (9)

26

Рис. 6. Способ ократирования и карбонизации бетонных изделий (на основании патента № 2114091 от 27.06.98)