Эколого-технологическое обоснование применения отходов терриконов в технологии очистки оросительной воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эколого-технологическое обоснование применения отходов терриконов в технологии очистки оросительной воды

Н.А. Антонова, Ю.Е. Домашенко, С.М. Васильев; Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации

Аннотация

Целью работы является эколого-технологическое обоснование применения пород терриконов в составе фильтрующего материала в технологии очистки оросительной воды для капельного орошения. На этапе оценки актуальности исследования устанавливался предотвращенный ущерб земельным ресурсам от использования горелых пород терриконов по действующей методике определения предотвращенного экологического ущерба, класс опасности горелой породы как отхода производства находился расчетным методом согласно СП 2.1.7.1386-03. Содержание тяжелых металлов в горной породе и природной воде до и после очистки определялось с помощью атомно-абсорбционного спектрометра по методикам ПНД Ф 14.1:2:4.139-98, ГОСТ 27395-87, ПНД Ф 16.1:2:2.2.3.36-2002, взвешенных веществ в оросительной воде - гравиметрическим методом согласно РД 52.24.468-2005. При рассмотрении таких показателей основных компонентов горелой породы терриконов, как предельно допустимая концентрация вещества в почве, класс опасности вещества в почве, средняя доза вещества, вызывающая гибель половины членов испытуемой группы животных, и канцерогенность для человека с учетом доли вещества в общем объеме, опасность отхода соответствует IV классу опасности. Содержание в воде таких металлов, как цинк, свинец и кадмий, не изменилось, концентрации составили 0,003; 0,005 и 0,002 миллиграмма на кубический дециметр соответственно. Изменение количества железа в исследуемой воде составило 2,0-2,5 %, марганца - 3,0-3,5 %, меди - 2,2-2,7 %, никеля - 4,0-4,5 %. В среднем по опытам концентрация взвешенных веществ уменьшилась от 67-62 миллиграммов на кубический дециметр в исходной оросительной воде до 4,7-4,8 миллиграмма на кубический дециметр, эффект очистки фильтрующего элемента по взвешенным веществам составил 84-87 %.

Ключевые слова: горелые отходы терриконов, очистка оросительной воды, класс опасности отхода, фильтрующий элемент, взвешенные вещества.

Abstract

The aim of the work is to give eco-technological substantiation of using waste rock from slagheaps in the composition of filtering material for the technology of irrigation water treatment for drip irrigation. At the stage of assessing the relevance of the study, prevented damage to land resources from using burnt rocks of slagheaps according to existing methodology for determination of prevented ecological damage was established, and hazard class of burnt rock as an industry waste was determined by calculating method according to SP 2.1.7.1386-03. The content of heavy metals in waste rock and natural water before and after the treatment was determined by atomic-absorption spectrometer according to PND F 14.1:2:4.139-98, GOST 27395-87, PND F 16.1:2:2.2.3.36-2002. Suspended solids in irrigation water were detected by gravimetric method according to RD 52.24.468-2005. Considering such indicators of main components of burnt slagheap rock as maximal allowable concentration of a substance in soil, hazard class of a substance in soil, the average dose of a substance that causes death of half of the members of a test group of animals, and carcinogenicity for humans accounting the proportion of a substance in a whole volume allow corresponding waste hazard to IV hazard class.

The content in water of such metals as zinc, lead and cadmium had no change; their concentrations were 0.003, 0.005, and 0.002 mg per cubic decimeter respectively. Change of iron quantity in the analyzed water was 2.0-2.5 %, manganese - 3.0-3.5 %, copper - 2.2-2.7 %, nickel - 4.0-4.5 %. In the experiment, at an average concentration of suspended solids decreased from 67-62 mg per cubic decimeter in original irrigation water to 4.7-4.8 mg per cubic decimeter, the effect on suspended solids from treatment by filtering element was 84-87 %.

Keywords: burnt waste of slagheaps, irrigation water treatment, hazard class of waste, filtering element, suspended solids.

Водные ресурсы выступают не только в качестве источника хозяйственного и бытового водоснабжения, но и играют важную роль в развитии промышленности, растениеводства и сельского хозяйства в целом. Особенно крупным потребителем природной воды исторически выступает сельскохозяйственное орошение. В современных условиях качество воды в водотоках, являющихся основным источником орошения, постоянно ухудшается. Этому способствует тот факт, что зачастую забор оросительной воды осуществляется из тех же источников, в которые производится сброс загрязненного стока с сельскохозяйственных полей [1, 2].

Таким образом, дефицит водных ресурсов, в том числе и острая нехватка природной воды для орошения сельскохозяйственных культур, формирует острую проблемную ситуацию в мелиоративном секторе агропромышленного комплекса юга европейской территории России.

Показатели качества, единые критерии оценки и номенклатура качества воды для орошения определены в ГOCT 17.1.2.03-90¹¹ ГОСТ 17.1.2.03-90. Охрана природы. Гидросфера. Критерии и показатели качества воды для орошения. - Введ. 1991-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2012. - 8 с., при этом четких норм качества воды для орошения нет. Агрономические показатели могут сильно отличаться на разных орошаемых территориях, при этом технические критерии имеют более или менее четкую привязку к конструктивным особенностям элементов оросительных систем [3, 4].

Для Ростовской области одной из актуальных проблем загрязнения окружающей среды является складирование отходов угледобывающей промышленности на водосборных площадях. На территории Восточного Донбасса насчитывается не менее 600 отвалов горных пород. Общая площадь земель сельскохозяйственного назначения под складируемыми отходами по приблизительным подсчетам составляет 1,4 тыс. га [5-7]. Перечень отраслей, в которых содержимое отвалов успешно реализуется в качестве товарного продукта, невелик, в основном это строительная отрасль. Такая ситуация создает широкий спектр перспективных направлений использования отхода.

Внедрение рационального использования природных ресурсов в агропромышленный комплекс Российской Федерации способствует увеличению вторичного использования отходов производства. В частности, на системах капельного орошения, имеющих в своем составе фильтростанции, могут использоваться фильтрующие материалы с применением отходов промышленности. Исследования возможности использования пород терриконов в качестве наполнителя фильтрующих материалов на фильтростанциях систем капельного орошения в последние десятилетия не проводились.

Данный подход, по нашему мнению, позволяет успешно выполнять задачи, связанные с решением вышеперечисленных актуальных проблем, а также вопросов импортозамещения при поставке фильтрующих материалов для фильтростанций систем капельного орошения.

Целью работы является эколого-технологическое обоснование применения пород терриконов в составе фильтрующего материала в технологии очистки оросительной воды для капельного орошения.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования по очистке оросительной воды для капельного орошения проводились в лабораторных условиях в ФГБНУ «РосНИИПМ» на фильтрационной установке, которая включает фильтр с установленными блоками, изготовленными на основе горелой породы терриконов.

Для определения класса опасности отхода использовался расчетный метод, представленный в СП 2.1.7.1386-03 Определение класса опасности токсичных отходов производства и потребления: СП 2.1.7.1386-03: утв. Гл. гос. санитар. врачом Рос. Федерации 16.06.03: введ. в действие с 30.06.03.. Класс опасности определяется по суммарному показателю опасности основных веществ, который учитывает токсикологические, санитарно-гигиенические и физико-химические показатели опасности каждого компонента отхода.

Содержание тяжелых металлов в оросительной воде до и после очистки определялось с помощью атомно-абсорбционного спектрометра по методике ПНД Ф 14.1:2:4.139-98 Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовых концентраций кобальта, никеля, меди, цинка, хрома, марганца, железа, серебра, кадмия и свинца в пробах питьевых, природных и сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрометрии: ПНД Ф 14.1:2:4.139-98: утв. Гос. ком. Рос. Федерации по охране окружающей среды 25.06.98. - М., 1998. - 22 с.. Метод основан на измерении резонансного поглощения света свободными атомами определяемого металла при прохождении света через атомный пар исследуемого образца, образующийся в пламени.

Количество тяжелых металлов в породе терриконов устанавливалось на атомно-абсорбционном спектрофотометре с пламенным атомизатором, показатель точности находится в диапазоне 15-40 %. Использовались следующие методики: ГОСТ 27395-87 ГОСТ 27395-87. Почвы. Метод определения подвижных соединений двух- и трехвалентного железа по Веригиной-Аринушкиной. - Введ. 1987-09-14. - М.: Изд-во стандартов. - 11 с. (для определения содержания железа), РД 52.18.191-89 Методические указания. Методика выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом: РД 52.18. 191-89: утв. Гос. ком. СССР по гидрометеорологии 01.01.89: введ. в действие с 01.01.91. - М., 1990. - 8 с. (для определения валового содержания кадмия, меди, никеля, свинца и цинка в отходах), ПНД Ф 16.1:2:2.2.3.36-2002 Методика выполнения измерений валового содержания меди, кадмия, цинка, свинца, никеля и марганца в почвах, донных отложениях и осадках сточных вод методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии: ПНД Ф 16.1:2:2.2.3.36-2002: утв. Федер. центром анализа и оценки техноген. воздействия 28.11.11. - М., 2002. - 16 с. (для определения валового содержания марганца и кобальта в отходах).

Концентрация взвешенных веществ в воде определялась согласно РД 52.24.468-2005 Взвешенные вещества и общее содержание примесей в водах. Методика выполнения измерений массовой концентрации гравиметрическим методом: РД 52.24.468-2005: утв. Росгидрометом 15.06.05: введ. в действие с 01.07.05. - 14 с. гравиметрическим методом с использованием бумажного фильтра.

При проведении исследований определялся размер предотвращенного ущерба земельным ресурсам от захламления согласно «Методике определения предотвращенного экологического ущерба» Методика определения предотвращенного экологического ущерба: утв. Гос. ком. Рос. Федерации по охране окружающей среды 30.11.99 / Гос. ком. Рос. Федерации по охране окружающей среды. - М.: Госстандарт, 1999. - 20 с. (далее - Методика). Размер ущерба оценивается на основании нормативной стоимости 1 га оцениваемых земель в зависимости от их типа.

Результаты и обсуждение. В ходе модернизации отдельных отраслей агропромышленного комплекса, в частности направления очистки воды для орошения, возможно внедрение современных фильтрующих материалов на основе отходов угольной промышленности.

Горелая порода террикона, выступающая в качестве наполнителя и заполнителя фильтрующего материала, имеет различный состав в зависимости от физико-химических свойств углеродного исходного сырья, имеющего территориальные особенности. Восточный Донбасс можно выделить в единый район с относительно схожим составом угольной породы, в том числе и горелой. Так как рассматриваемый материал является отходом угледобывающей промышленности, оценку экологической безопасности и возможности использования его в качестве компонента фильтрующего материала необходимо начинать с определения класса опасности. Расчет проводился согласно утвержденной методике по СП 2.1.7.1386-03 Определение класса опасности токсичных отходов производства и потребления: СП 2.1.7.1386-03: утв. Гл. гос. санитар. врачом Рос. Федерации 16.06.03: введ. в действие с 30.06.03.. Показатели опасности основных веществ , входящих в состав отхода, определялись по формуле согласно СП 2.1.7.1386-03³:

,

где - концентрация компонента отхода, мг/кг;

- коэффициент степени опасности каждого рассматриваемого компонента, определяемый из формулы по СП 2.1.7.1386-03¹:

,

где - усредненный параметр опасности компонента отхода, определяемый по СП 2.1.7.1386-03¹ и справочным данным [8-10].

Для расчета выбираются наиболее опасные вещества с максимальным процентом содержания в объеме. Для исследования образец горелой породы был отобран в г. Шахты Ростовской области. Содержание тяжелых металлов в образце представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов в горной породе, в мг/дм³

После проведения химических анализов определены наиболее значимые компоненты: Fe, Zn, Mn, Pb. Результаты расчета представлены в табличной форме (таблица 2).

Таблица 2 - Результаты расчета класса опасности отхода

Суммарный индекс опасности отхода определяется алгебраической суммой индексов отдельных компонентов. Для образца горелой породы террикона он составил 15,6, следовательно, согласно приложению 3 СП 2.1.7.1386-03¹¹ Определение класса опасности токсичных отходов производства и потребления: СП 2.1.7.1386-03: утв. Гл. гос. санитар. врачом Рос. Федерации 16.06.03: введ. в действие с 30.06.03. отход относится к IV классу опасности (малоопасные), а значит, может использоваться в области водоподготовки для капельного орошения. При этом концентрация металлов в исследуемом образце породы превышает концентрацию тяжелых металлов в оросительной воде, что может послужить причиной перехода тяжелых металлов из горной породы в очищаемую оросительную воду.

Фильтрующие элементы [11], изготовленные с использованием отходов терриконов, имеют инертный слой полиэфирной смолы, который защищает от перехода ионов веществ, содержащихся в породе терриконов, в очищаемую оросительную воду. Технологические особенности изготовления фильтрующего элемента исключают возможность протекания химических реакций между элементами горной породы терриконов и очищаемой оросительной водой, предотвращая попадание в нее тяжелых металлов. Это обеспечивается за счет создания химически неактивного слоя застывшей полиэфирной смолы.

Схема установки для проведения экспериментальных исследований представлена на рисунке 1.

В качестве исходной воды выступали образцы природной воды, отобранные из Донского магистрального канала оросительной системы в середине поливного сезона. Отобранная из канала вода помещалась в бак исходной воды, откуда насосом подавалась в напорный бак. Далее очищаемая оросительная вода в самотечном режиме по гибким шлангам поступала на фильтрующие элементы, изготовленные на основе горелых пород терриконов и полиэфирной смолы и установленные в корпус скорого фильтра.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки для очистки оросительной воды с целью дальнейшего использования в системах капельного орошения: 1 - бак исходной воды; 2 - насос; 3 - напорный бак; 4 - гибкие шланги; 5 - скорые фильтры с фильтрующим элементом из горелых пород терриконов; 6-9 - запорно-регулирующие краны

Скорость фильтрования регулировалась при помощи проходных вентилей. В целях получения достоверных результатов было проведено 10 повторностей опытов. В качестве наполнителей и заполнителей использовали продукты переработки горелых пород терриконов. Толщина фильтрующего элемента составляла 50 мм. Скорость фильтрования в опытах назначалась от 0,4 до 1,0 м/ч, а количество взвешенных веществ в исходной воде составляло от 67 до 62 мг/дм³.

Фильтрующий элемент изготавливался по известной технологии полимербетонов СН 525-80¹¹ Инструкция по технологии приготовления полимербетонов и изделий из них: СН 525-80: утв. Гос. ком. СССР по делам стр-ва 19.05.80: введ. в действие с 01.01.81. - М.: ГУП ЦПП, 2001. - 23 с. при использовании в качестве наполнителя отсева с размером 0,3-5,0 мм, отсев с размером 10-50 мм, наполнитель был заменен на муку из тонкомолотого отсева горелых пород терриконов. Горелая порода после фракционирования смешивалась с полиэфирной смолой и отвердителем и закладывалась в формы [11].

При проведении опытов проводились замеры концентраций тяжелых металлов и взвешенных веществ в фильтрате. Средние значения показателей качества очищаемой оросительной воды до и после очистки представлены на рис. 2.

Рисунок 2 - Содержание веществ в оросительной воде до и после очистки

Изменения содержания в воде таких металлов, как цинк, свинец и кадмий, не наблюдалось, концентрации составили 0,003; 0,005 и 0,002 мг/дм³ соответственно. Количество железа в исследуемой воде в среднем снизилось на 4,35 % при уменьшении концентрации с 0,0138 до 0,0132 мг/дм³. Концентрация марганца увеличилась с 0,0154 до 0,0155 мг/дм³, что составило 1,95 %; ввиду того что при измерениях были выпадающие значения измерений, в целом эффект очистки находился в диапазоне от 3 % снижения концентрации до 3,5 % роста содержания металла в образцах. Концентрация меди снизилась до 0,0034 мг/дм³, на 2,86 % по сравнению с исходным содержанием в оросительной воде (0,0035 мг/дм³). Содержание никеля уменьшилось на 4,0 % с 0,0025 до 0,0024 мг/дм³. Снижение концентрации взвешенных веществ наблюдалось в среднем по опытам от 62 мг/дм³ в исходной оросительной воде до 4,9 мг/дм³, следовательно, эффект очистки фильтрующего элемента по взвешенным веществам составил 92 %.

Анализируя полученные результаты, видим, что изменение концентраций тяжелых металлов в воде не превышает 5 %. Это соответствует средней допустимой погрешности при проведении экспериментов и не выходит за допустимые значения в рамках каждой методики определения количества химических веществ в воде. Полученные результаты подтверждают безопасность использования горелой породы террикона в составе фильтрующего элемента для очистки природной воды с целью дальнейшего использования в системах орошения.

Утилизация отходов горнодобывающей промышленности региона позволит высвободить большие площади земельных ресурсов, часть которых имеет высокую рыночную стоимость ввиду выгодного или стратегического территориального расположения (отвалы породы располагаются в центре населенных пунктов).

Оценку величины предотвращенного ущерба от захламления земель несанкционированными свалками в результате проведения потенциальной природоохранной деятельности произведем по формуле согласно Методике¹¹ Методика определения предотвращенного экологического ущерба: утв. Гос. ком. Рос. Федерации по охране окружающей среды 30.11.99 / Гос. ком. Рос. Федерации по охране окружающей среды. - М.: Госстандарт, 1999. - 20 с.:

,

где - оценка величины предотвращенного ущерба от захламления земель -й категории отходов ( = 1, 2, 3, ..., ) за отчетный период времени, млн руб./год;

- норматив стоимости земель, млн руб./га. Для примерной оценки примем = 148 млн руб./га согласно Методике¹;

- площадь земель, захламление которых отходами -го вида удалось предотвратить за отчетный период времени, га;

- коэффициент экологической ситуации и экологической значимости территории, = 1,9 согласно Методике¹;

- коэффициент для особо охраняемых территорий, = 1,0 по СП 2.1.7.1386-03²² Определение класса опасности токсичных отходов производства и потребления: СП 2.1.7.1386-03: утв. Гл. гос. санитар. врачом Рос. Федерации 16.06.03: введ. в действие с 30.06.03..

= 148 · 1400 · 1,9 · 1,0 = 393680 млн руб.

Размер предотвращенного ущерба земельным ресурсам в масштабах области делает необходимым увеличение объемов утилизации имеющихся отходов горной породы, поэтому задача минимизации занятых площадей будет иметь ощутимый эколого-экономический эффект.

Выводы. На основании проведенных исследований установлено, что:

- горелая порода терриконов по основным выделенным веществам (Fe, Zn, Mn, Pb) относится к IV классу опасности отходов, т. е. малоопасна;

- фильтрующий элемент на основе горелых пород терриконов и полиэфирной смолы можно использовать в сфере водоочистки для капельного орошения без опасности попадания тяжелых металлов в оросительную воду;

- полученная на основе экспериментальных данных эффективность очистки от взвешенных веществ, равная 84-87 %, позволяет применять фильтрующие элементы рассмотренного состава в технологии очистки оросительной воды для капельного орошения;

- экономическая эффективность с точки зрения предотвращенного ущерба земельным ресурсам от захламления отходами IV класса опасности составит 393680 млн руб.

порода террикон орошение фильтрующий

Список литературы

1. Оросительные системы России: от поколения к поколению: монография. В 2 ч. Ч. 1 / В.Н. Щедрин [и др.]. - Новочеркасск: Геликон, 2013. - 283 с.

2. Васильев С.М. Экологическая концепция оценки воздействия оросительных систем на ландшафты Нижнего Дона / С.М. Васильев, В.Ц. Челахов, Е.А. Васильева. - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2005. - 308 с.

3. Безднина С.Я. Экологические основы водопользования: моногр. / С.Я. Безднина. - М.: ВНИИА, 2005. - 224 с.

4. Безднина С.Я. Научные основы оценки качества воды для орошения / С.Я. Безднина. - Рязань: РГАТУ; Мещер. науч.-техн. центр, 2013. - 172 с.

5. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2014 году» / под общ. ред. В.Н. Василенко, Г.А. Урбана, А.Г. Куренкова, С.В. Толчеевой, С.Ю. Покуля; Правительство Рост. обл., М-во природ. ресурсов и экологии Рост. обл. - Ростов н/Д., 2015. - 385 с.

6. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2013 году» / под общ. ред. В.Н. Василенко, Г.А. Урбана, А.Г. Куренкова, С.В. Толчеевой, С.Ю. Покуля; Правительство Рост. обл., М-во природ. ресурсов и экологии Рост. обл. - Ростов н/Д., 2014. - 378 с.

7. Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования: монография / Л.В. Кирейчева [и др.]; под ред. Б. М. Кизяева; РАСХН, ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии. - М.: Тип. Россельхозакадемии, 2006. - 586 с.

8. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп: справоч. изд. / А.Л. Бандман [и др.]; под ред. В.А. Филолова [и др.]. - Л.: Химия, 1988. - 512 с.

9. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов V-VIII групп: справоч. изд. / А.Л. Бандман [и др.]; под ред. В.А. Филолова [и др.]. - Л.: Химия, 1988. - 592 с.

10. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / Ф.Т. Бингам [и др.]; под ред. X. 3игеля, А. Зигель. - М.: Мир, 1993. - 368 с.

11. Пат. 2498844 Российская Федерация, МПК(51) B 01 D 39/06, B 01 J 20/02, C 02 F 1/00. Фильтрующий элемент, применяемый в сфере очистки природных вод / Антонова Н.А., Домашенко Ю.Е.; заявители и патентообладатели Антонова Н.А., Домашенко Ю.Е. - № 2011147979/05; заявл. 24.11.11; опубл. 20.11.13, Бюл. № 32. - 5 с.

Размещено на Allbest.ru