Состояние экологической безопасности Челябинской области и технические решения по оздоровлению загрязнённых территорий

Вестник Челябинского государственного университета. 2009. № 1 (139).

Экономика. Вып. 17. С. 74-80.

А. Г. Букреев, Н. И. Горбунов, О. И. Решетов, В. Ф. Попов

состояние экологической безопасности челябинской области и технические решения по ОЗДОРОВЛЕНИю^^^^^^^Щ^^^^^Щ

Приведен анализ влияния техногенных промышленных образований и твердых бытовых отходов на состояние экологической безопасности жизнедеятельности человека и природных экосистем. Представлена экономически целесообразная концепция комплексной, безотходной переработки техногенных образований на принципах утилизации техногенных образований в технологическом комплексе, где продукция одной составляющей комплекса является сырьем для последующей.

Ключевые слова: вторичные запасы, металлургия, оздоровление окружающей среды, печь Ванюкова, ПДК, твердые бытовые отходы, техногенные образования, экологическая безопасность, энергоноситель.

Экономическое развитие Челябинской области на протяжении многих десятилетий в советское время привело к становлению промышленного комплекса в составе предприятий черной и цветной металлургии, крупных машиностроительных предприятий-гигантов, предприятий Минатома, горнодобывающих ГОКов, предприятий ВПК. Сложилась система со взаимодействующей структурой, ориентированная на экстенсивную переработку сырья и производство промышленной продукции с трехвековой историей. Производственная деятельность промышленного комплекса привела к истощению природных ресурсов, обусловила крайне неблагополучную экологическую обстановку, характеризующуюся деградацией природных систем, потерей способности природы к самоочищению и поддержанию необходимого для жизнедеятельности качества окружающей среды.

К примеру, площадь шлаковых отвалов ОАО «Челябинский металлургический комбинат» составляют 150 га, площадь шлаковых отвалов ОАО «Челябинский электрометаллургический комбинат» — 31 га, трубного завода — 10 га, ЗАО «Карабашский медеплавильный завод» — 62,2 га [1].

Стоимость высвобождения и рекультивации только этой земли (253,2 га) составит приблизительно 3 млрд р. Эти средства могли бы быть пропорционально распределены среди предприятий — владельцев указанной земли, что увеличило бы капитализацию предприятий и повысило их конкурентоспособность [2].

Промышленные отходы (техногенные образования), содержащие большое количество водорастворимых соединений тяжелых металлов, в отсутствии приемлемой технологии их утилизации десятки лет отравляют водные бассейны близлежащих районов, водозаборные водоемы (оз. Аргази). Но основную роль в загрязнении окружающей среды играет текущая деятельность промышленных предприятий области. Период улучшения экологической ситуации, связанной с падением уровня экономики страны в целом, закончился. Сегодня идет период восстановления промышленного производства, рост активности предприятий на внутреннем и внешнем рынках.

Рост экономических показателей предприятий в подавляющем большинстве случаев основан на реанимировании существующих производств, которые в силу своего несовершенства и отсталости не способны в достаточной степени обеспечить экологическую безопасность своей деятельности.

Мониторинг воздушного и водного бассейнов наглядно это демонстрирует. К сожалению, отсутствует системный мониторинг загрязнения почв и продуктов питания, производимых сельхозпредприятиями Челябинской области.

Самыми экологически неблагополучными территориями Челябинской области являются города Карабаш, Магнитогорск, Челябинск, Златоуст. Район Карабаша признан ООН зоной экологического бедствия; Магнитогорск постоянно включается в Приоритетный список городов с очень высоким уровнем загрязнения.

Воздух городов загрязнен формальдегидом, диоксидом азота, сероуглеродом, фенолом, бензпиреном и другими вредными веществами, что обусловлено выбросами предприятий цветной и черной металлургии, энергетики, автотранспорта. Так, в Магнитогорске среднемесячные концентрации вредных веществ (они колеблются из года в год с 1999 г. вблизи единого тренда) составляют: бензпирена------------16 ПДК

(предельно допустимая концентрация); диоксида азота----5 ПДК; свинца------3 ПДК; минеральной пыли-------------------5 ПДК; фенола-2 ПДК;

этилбензола-----10 ПДК; марганца-------------5 ПДК.

Такую тяжелую экологическую обстановку определяет, в первую очередь, производственная деятельность Магнитогорского металлургического комбината [3].

Также многократно допустимые нормы превышают концентрации вредных веществ в Челябинске, Карабаше, Златоусте.

Следует отметить ежегодный рост выбросов вредных веществ с выхлопными газами автотранспорта (формальдегид, окислы азота, этилбензол). Это связано с ростом количества транспортных средств на улицах городов, старением и ухудшением состояния автомобильного парка, низкой пропускной способностью и низким качеством покрытия городских дорог, медленным развитием транспортных магистралей в архитектуре городов. Слабо учитывается опыт развитых государств, которые столкнулись с подобными проблемами раньше нас.

Воздушный бассейн ряда территорий Челябинской области имеет радиоактивное загрязнение: среднее отношение концентраций Ри238 к Ри239,240 в пос. Новогорный составляет ~1,3;

в пос. Аргаяш---1,2; в пос. Бродокалмак---1.

Для сравнения: соотношение изотопов Ри238 к Ри239,240, установленное для глобального радиоактивного загрязнения, равно 0,05. Это следствие усилий предприятия «Маяк» в направлении регенерации отработанного ядерного топлива.

24 водных объекта Челябинской области, в т. ч. 11 рек, 8 озер, 5 водохранилищ, включены в Общегосударственную систему наблюдения (ОГСН) . В результате аналитической обработки данных выявлены десятки случаев высокого и экстремально высокого уровня загрязнения на четырех водных объектах области:

—р. Уфалейка — выше и ниже г. Верхнего Уфалея (загрязнение солями тяжелых металлов; главный источник загрязнений — ОАО «Уфалейникель»);

—р. Увелька — ниже г. Южноуральска (загрязнение солями тяжелых металлов, нефтепродуктами, органическими соединениями, солями азота; главные источники загрязнений — Южноуральская ГРЭС, городские сточные воды, заводы «Кристалл», радиокерамики, фарфоровый);

- р. Миасс — дер. Новотагилка, Новое Поле, Сычёво (загрязнение солями тяжелых металлов, азотными соединениями, органическими соединениями, фосфатами; источники загрязнений — промышленные предприятия Челябинской области). Ниже по течению, в районе Карабаша, сток р. Миасс зарегулирован Аргазинским водохранилищем, являющимся резервным источником питьевого водоснабжения г. Челябинска;

—р. Теча — была загрязнена путем прямого сброса неочищенных вод с химкомбината «Маяк» в первые годы его деятельности и в результате аварии 1957 г.; основными до-зобразующими радиоизотопами в экосистеме реки на сегодня являются Sr90 и Cs137, имеющие период полураспада 30 лет. Sr90 — достаточно хорошо растворим в воде, поэтому подвижен: перемещается с водой на значительные расстояния вплоть до Карского моря. Cs137 прочно связывается почвенными частицами, концентрируясь в верховьях реки. В настоящее время потенциальными источниками загрязнения вод р. Течи техногенными радиоизотопами являются: поступление загрязненных вод через тело плотины водоема 11; десорбция радионуклидов из донных отложений; смыв радионуклидов с водосборной площади реки.

В сравнении с фоновым уровнем загрязнения рек Российской Федерации техногенным изотопом концентрация Cs137 с учетом сезонных колебаний в р. Тече в 3-5 раз выше.

Несмотря на некоторую стабилизацию по выбросам текущих загрязняющих веществ в воздушный и водный бассейны Челябинской области, их накопление в окружающей среде приведет в недалеком будущем к гибели существующей экосистемы, и деградация природной среды приобретет необратимый характер.

Суммирующее воздействие техногенных факторов сегодня напрямую влияет на здоровье людей, демографию, особенно в крупных городах, которые перестали быть местом для благоприятного проживания людей.

Таким образом, вопросы экологической безопасности стали приоритетными для обеспечения жизнедеятельности людей и самого государства. Предполагается опережающее развитие научных исследований по важнейшим проблемам экологической безопасности и рационального природопользования, внедрение в практику передовых технологий, которые должны обеспечить не только безотходную переработку существующих сырьевых ресурсов, но и техногенных образований, исключение потребительского отношения к природе бизнеса и людей, повышение экологического образования общества [4; 5].

Экологическая безопасность как составная часть национальной безопасности регионов и всего государства является обязательным условием устойчивого социальноэкономического развития территорий страны и выступает основой сохранения природных систем и поддержания соответствующего качества окружающей среды.

Переработка твердых бытовых отходов — одна из наиболее острых проблем современных городов. До сих пор в мировой практике не найдено ее простого и эффективного решения. Основным направлением во многих странах стало сжигание твердых бытовых отходов (ТБО) в топках или во вращающихся печах. Однако сжигание ТБО при температурах 900-1100 °С не позволяет получать хорошие технологические и экологические показатели. Образующиеся твердые золовые остатки составляют около 30 % от общей массы сжигаемых ТБО, которые большей частью вывозятся на свалку или захораниваются на специальных полигонах. В продуктах переработки — газах и пыли — содержится большое количество токсичных соединений, представляющих опасность для окружающей среды. Особо опасными соединениями в отходящих газах являются полихлорированные дибензодиоксины, дибензофураны, полиароматические углеводороды. Низкая температура сжигания не позволяет термически разложить токсины до экологически

нейтральных соединений, поэтому на дымовых трубах мусоросжигательных заводов размещаются катализаторы и топки дожигания для получения приемлемых экологических параметров.

Перечисленные способы сжигания ТБО характеризуются низкой удельной производительностью, высокими капитальными затратами, и экономика переработки бытовых отходов убыточна. В США расходы из муниципального бюджета на утилизацию и сжигание ТБО составляют от 40 до 120 долл./т (в зависимости от технологии и местных условий).

В Челябинске и в Челябинской области с переработкой ТБО дело обстоит еще более удручающе. По-прежнему бытовой мусор вывозится на свалку, хотя сегодня никому не приходится доказывать, что свалка представляет техногенную бомбу для будущих поколений. В области на полигонах ТБПО и ТОСВ скопилось более

5 млрд т твердых бытовых, промышленных отходов и отходов сточных вод. Проблема утилизации отходов носит характер снежного кома, который с каждым годом становится всё больше, а что с ним делать, как кардинально изменить экологическую ситуацию в лучшую сторону, сегодня может показаться неразрешимой задачей.

Решение этой важной проблемы не в отсутствии комплексных технологий переработки промышленных отходов и твердых бытовых отходов, а в трудности реализации в промышленном масштабе пионерских разработок, позволяющих кардинально улучшить экологическую обстановку в промышленных регионах страны и параллельно в значительной степени решить вопросы обеспечения сырьем существующие производства.

Концепция авторов:

1. Твердые бытовые отходы и промышленные техногенные образования — это вторичные запасы минерального и энергетического сырья.

2. Их переработка может быть выгодной. Создавать комплекс рентабельных предприятий следует на принципах передовых технологий по совместной безотходной переработке твердых бытовых отходов и промышленных техногенных образований.

3. Современные технологии обеспечат кардинальное улучшение экологической обстановки

в районах расположения предприятий по переработке отходов.

4. Новое производство создаст новые рабочие места, улучшит социально-экономические условия проживания людей.

5. Новые условия проживания позволят активизировать экологическое воспитание населения.

6. Ввод к экономику вторичного сырья гарантирует сохранение природных богатств страны для будущих поколений.

Организация предприятий по комплексной, безотходной переработке твердых бытовых и промышленных отходов на основе передовых отечественных разработок последних лет, обеспечивающих комплексную, безотходную переработку промышленных и твердых бытовых отходов в местах их образования, имеет два важных аспекта:

Государственный аспект этого решения — сохранение природных богатств для будущих поколений, повышение конкурентоспособности отечественной продукции на внутреннем и международном рынках, повышение технического, экономического и организационного уровня производства в различных отраслях хозяйствования, снижение вредного воздействия промышленного производства на окружающую среду, рост прибыли и отчислений в бюджеты разных уровней России, увеличение вклада науки в национальный доход государства.

Гуманитарный аспект заключается в экологической и экономической эффективности предложенной Программы, выполнение которой обеспечит устойчивое развитие социальной инфраструктуры, искоренит потребительское отношение бизнеса и людей к окружающей среде, позволит передать полученные результаты и достижения в аналогичные отрасли промышленности, оказать благотворное влияние на экономическую обстановку в России.

В Челябинском государственном университете разработан технический комплекс для утилизации с одновременным получением электрической и тепловой энергии:

—твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО);

—углеродсодержащих материалов, золы ТЭС, угольных шламов;

—нефтешламов, отходов нефтеперерабатывающих предприятий;

—отходы деревообрабатывающей промышленности;

—лигнина, лузги, торфа, сапропеля, соломы, отходов горзеленстроя;

— бывших в употреблении деревянных конструкций и железнодорожных шпал;

—ила очистных сооружений различных видов, полей фильтрации;

—органических отходов сельскохозяйственного производства;

— больничных, инфицированных, био- и прочих медицинских отходов;

—отходов покрасочных производств, масляных эмульсий;

—старых автомобильных покрышек, полимерных отходов;

—сорбента после поглощения нефтепродуктов;

— пестицидов, гербицидов и просроченных ядохимикатов;

—горючих отходов 1-4-го класса опасности.

Технологический процесс утилизации вышеназванных отходов начинается с подготовки сырья: сортировка, просеивание, дробление и подготовка нефтешлама. Все компоненты через дозаторы подаются на смешивание с добавлением пластификатора, улучшителя, наполнителя, модификатора и известняка до однородной массы. Смесь подсушивается отходящими горячими газами до влажности не выше 55 %. После процесса брикетирования твердое топливо по транспортерам подается на склад или в газификатор через шлюз. Процесс пиролиза (разложение твердого в газообразное топливо) происходит в реакторе газификатора. Реакция проходит при подаче влажного воздуха из осушителя смеси с содержанием кислорода до 7 % при температуре до 1400 °С в зоне газификации.

Явление сверхадиабатического разогрева при фильтрационном горении возникает в результате теплообмена между потоками твердых и газообразных веществ, движущихся навстречу друг другу относительно фронта химической реакции. Полученный газ с температурой 300 ° С охлаждается до 40 °С, очищается от пиролизных смол и взвешенных частиц в три этапа, охлаждается до точки росы с отведением конденсата. Тепло поступает в систему теплообмена. Продукт — газ; после очистки и осушения он отвечает требованиям по качеству,

предъявляемым к моторному топливу, может подаваться в газгольдеры для хранения, сжижаться для транспортировки или для сжигания в режимах: моно (газ), бинарный (газодизельный и газо-газовый) или в газо-поршневом агрегате...

При увеличении объемов переборки ТБО и брикетирования часть брикетов может быть использована в качестве энергетической составляющей в следующей стадии утилизации промышленных техногенных образований в печи Ванюкова [6].

Полученная электроэнергия может быть направлена на обеспечение технологических нужд более энергоемкого процесса ПЖВ (печь Ванюкова), при этом снижается сумма затрат на электроэнергию. Весь комплекс может быть энергетически автономен, что существенно на сегодняшний день при постоянном повышении цен на энергоносители и нехватку электрической энергии в Челябинской области.

Совместная переработка ТБО и техногенных образований черной металлургии в печи Ванюкова позволяет создать экономически целесообразное производство и за счет высокой удельной производительности металлургического агрегата кардинально улучшить состояние природной среды. В России разработан [6] новый не имеющий аналогов в мировой практике процесс совместной переработки ТБО — в нашем случае топливных брикетов и техногенных образований предприятий черной металлургии.

Новая технология имеет преимущества перед ранее известными; их суть:

1. Лучшие экологические показатели: полное разложение вредных соединений, полное сжигание горючих компонентов.

2. Использование горючей части ТБО (после переборки и выделения из бытовых отходов металлического, стеклянного и керамического концентратов) в качестве энергетической составляющей в металлургическом процессе.

3. Как вариант — для разработанного процесса не требуется сортировки ТБО, но при этом ухудшается качество товарных продуктов (чугуна).

4. Высокая удельная производительность. Меньшие капитальные затраты на каждую тонну перерабатываемых отходов.

5. Тепло дымовых газов на 80-90 % используется для производства электроэнергии, пара, горячей воды. Количество получаемой энергии стабилизируется добавкой топлива (ТБО, бурый уголь).

6. Высокая надежность, гибкая безаварийная эксплуатация, гарантируемая даже в условиях неопределенности гранулометрического состава и влажности исходного сырья.

Процесс утилизации ТБО и техногенных образований черной металлургии осуществляется непрерывно в шлаковом расплаве, барботируемого кислородсодержащим дутьем. Температура шлаковой ванны составляет 1450-1500 °С. Выделяющиеся из ванны газы дожигаются над поверхностью расплава воздухом или кислородсодержащим дутьем. После полного дожигания газы с температурой не ниже 1500 ° С поступают в котел-утилизатор. Охлажденные газы очищаются от пыли и вредных примесей. Крупная пыль возвращается обратно в процесс, мелкая улавливается в системах газоочистки и представляет собой концентрат цветных металлов, пригодный для переработки на предприятиях цветной металлургии.

В процессе опытно-промышленных испытаний по фактическим данным достигнуто полное сгорание ТБО. Результаты исследований газовых фаз по тракту печи свидетельствуют

об экологически чистом составе полученных газов. Содержание в них токсичных и вредных компонентов было значительно меньше санитарных норм. Причем концентрация полиаро-матических углеводородов и особо токсичных полихлорированных дебензодиоксинов оказалась значительно ниже ПДК по нормам ФРГ (см. табл. 1).

Таблица 1 Содержание вредных примесей в дымовых газах, мг/м3

Компоненты Разработанный в России процесс Нормы ФРГ

SO2 < 28,1 < 500/250*

N0 X <16,5 <500/100*

НС1 <4,5 <100/75*

ОТ <0,5 <3/1*

Тяжелые металлы <1 <5/1*

* В числителе — норматив ФРГ, в знаменателе — выбросы мусоросжигательной ТЭЦ ЭССЕН-КАРНАП (ФРГ), пущенной в мае 1987 г.

Таблица 2

Состав шлака

Химические соединения, % по массе

СаО 1^0 Si02 Афз S Fe0 МпО Р205

36,2 6,9 45,2 4,8 0,066 2,5 3,79 0,35

Отходы

16 Шлак, т/час 15,90 34,60

17 Шлак, тыс. т/год 115,0 250,0

18 Пыль (оборотная + товарная), т/час 1,14 2,47

19 Пыль (оборотная + товарная), тыс. т/год 8,30 17,70

Состав шлака можно корректировать с целью получения товарной продукции, необходимой в конкретном регионе реализации данного проекта (цемент, шлаковата, шлакоблоки и т. д.).

Таблица 3

Состав чугуна

Химические элементы, % по массе

Мп Si С Р S

0,33 0,08 4,0 0,045 0,02

Материальные потоки исходного сырья и продуктов переработки представлены в табл. 4.

Таблица4

материальные потоки исходного сырья и продуктов переработки

№ п/п Наименование материалов Площадь пода печи Ванюкова 10 м2 Площадь пода печи Ванюкова 20 м2

Расход шихтовых материалов, тыс. т/год

1 Прокатная окалина 72,00 156,60

2 Шлам ККЦ 17,50 38,10

3 Шлам ОУШ 26,00 56,60

4 Шлак конвертерный 45,00 97,90

5 Шлак электропечной 45,00 97,90

6 Кварцевый песок 33,00 64,80

7 ТБО 34,00 74,00

8 Уголь (бурый) 34,00 74,00

ИТОГО 316,50 659,90

Удельные показатели на 1 т чугуна

9 Уголь + ТБО, т 0,91 0,89

10 Кварцевый песок,т 0,40 0,40

11 Кислород, м3/т 893,00 863,00

12 Сжатый воздух, м3/т 250,00 23,00

13 Шлак, т 1,54 1,54

Производительность

14 Товарный чугун, т/час 10,30 22,50

15 Товарный чугун, тыс. т/год 74,40 161,80

Материальные потоки могут меняться в зависимости от конкретных условий и задач.

Подытожим достоинства предлагаемых комплексов по переработке ТБО и техногенных образований:

1. В жестких конкурентных условиях рынка экономический успех предприятия обусловливается универсальностью технологии, способностью работать на различных видах техногенного сырья, возможностью диверсификации производства. Предлагаемые технические решения в полной мере удовлетворяют этим требованиям.

Например: процесс ПЖВ и печь Ванюкова позволяет перерабатывать не только техногенные образования черной металлургии, но некондиционные минеральные ресурсы, мелкодисперсные отсевы кокса, легировать чугун для получения шихтовой заготовки и т. д. Другими словами, в зависимости от местных условий промышленного Урала без существенной переделки основного оборудования можно строить экологически чистое производство по переработке техногенного сырья, оздоровлять окружающую природную среду.

2. Экологический комплекс может варьировать объемы перерабатываемого исходного сырья в зависимости от специфики местных условий и поставленных задач.

3. Экологический комплекс вырабатывает электроэнергию, обеспечивая полную автономность по снабжению технологических процессов данным видом энергоносителя. Не территориях, где металлургические производства и промышленные техногенные образования отсутствуют, комплекс может быть нацелен на выработку дешевой электроэнергии.

4. Экологический комплекс состоит из самодостаточных модулей, которые можно использовать как по отдельности, так и вместе. Набор модулей зависит от местных условий и поставленных задач.

5. Предлагаемые процессы и агрегаты являются пионерскими отечественными разработками, позволяющими на высоком технологическом, экологическом и экономическом уровне решать задачи по оздоровлению окружающей среды.

Список литературы

1. Добровольский, И. П. Переработка и утилизация промышленных отходов Челябинской области / И. П. Добровольский. Челябинск, 2000. 256 с.

2. Алехин, Ю. А. Экономическая эффективность использования вторичных ресурсов в производстве строительных материалов

/ Ю. А. Алехин, А. Н. Люсов. М. : Стройиздат, 1988. 344 с.

3. Аленькин, Д. Я. Экологическая политика в Челябинской области: проблемы, решения / Д. Я. Аленькин. Челябинск, 1997. 75 с.

4. Хайбулина, Н. Е. Комплексное использование сырья в промышленности / Н. Е. Хайбулина, Ю. Г. Гуревич. Челябинск : ЮУКИ, 1986. 75 с.

5. Панфилов, М. И. Металлургический завод без шлаковых отвалов / М. И. Панфилов. М. : Металлургия, 1978. 248 с.

6. Ванюков, А. В. Теория пирометаллурги-ческих процессов / А. В. Ванюков, В. Я. Зайцев. М. : Металлургия, 1973. 503 с.