Экологические проблемы комплексного освоения недр при масштабной утилизации техногенных минеральных ресурсов и отходов в производстве строительных материалов

УДК 502:504

Д.В. ОРЕШКИН, д-р техн. наук

Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук

Экологические проблемы комплексного освоения недр при масштабной утилизации техногенных минеральных ресурсов и отходов в производстве строительных материалов

Рассмотрены экологические проблемы территорий РФ, связанные с уменьшением доступных запасов минеральных ресурсов недр Земли на фоне нарастания количества техногенных отходов (ТГО), увеличения занимаемых отвалами и полигонами земельных площадей, а также негативного влияния на окружающую среду. Приведена экологическая оценка фосфогипса, послеспиртовой барды, молочной сыворотки, тиосульфата натрия, тонкодисперсных отходов белого мрамора и бурового шлама. Представлены научные основы комплексной методики экологической оценки ТГО и их утилизации, обоснована возможность использования указанных отходов как сырьевых компонентов для производства строительных материалов. Проведен инвентаризационный и классификационный анализы техногенных отходов, включающий гранулометрические, микроструктурные, рентгенофазовые, химические и физико-технические исследования, а также классификацию опасности ТГО. Представлены способы утилизации техногенных отходов и количественная оценка перспективы внедрения таких технологий.

Ключевые слова: экологические проблемы территорий, ресурсный подход, утилизация техногенных отходов в производстве строительных материалов и изделий, объемы отходов.

Для цитирования: Орешкин Д.В. Экологические проблемы комплексного освоения недр при масштабной утилизации техногенных минеральных ресурсов и отходов в производстве строительных материалов // Строительные материалы. 2017. № 8. С. 55-63.

D.V. ORESHKIN, Doctor of Sciences

Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources Russian Academy of Sciences

Environmental Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Re-Sources when Large-Scale Utilization of Man-Made Mineral Resources and Waste in the Production of Building Materials

The article deals with the environmental problems of the territories of the Russian Federation. They are connected with the reduction of the available inventory of mineral resources of the Earth at increasing number of man-made waste (MMW), increasing occupied by dumps and landfills of land areas as well as the negative impact on the environment. The author gives an environmental assessment of phosphogypsum, recycling of bards, whey, sodium thiosulfate, fine white marble and waste drilling mud. In the article scientific foundations of the integrated methodologies of environmental assessment of MMW and their recycling in the production of building materials and products were elaborated, the possibility of using these stated wastes as raw materials for their production, while addressing environmental concerns of the territories, was justified. In the article inventory and classification analyses of man-made waste were held. These tests include grain, microstructure, x-rayphase, chemical and physico-technical researches, as well as danger classification of MMW. The ways of recycling of man-made waste and quantification of prospects of implementing such technology were specified.

Keywords: environmental problems of the territories, the resource approach, utilization of man-made wastes in the production of building materials and products, volumes of waste.

For citation: Oreshkin D.V. Environmental problems of comprehensive exploitation of mineral resources when large-scale utilization of man-made mineral resources and waste in the production of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 8, pp. 55-63. (In Russian).

По мере роста всех отраслей промышленности повышается потребление ресурсов недр Земли, в том числе минеральных, что ведет к образованию большого количества техногенных отходов (ТГО) производства. В связи с этим нарастают экологические проблемы. Промышленность строительных материалов одна из немногих может утилизировать многотоннажные отходы других отраслей. Проведение масштабной утилизации ТГО может существенно расширить сырьевую базу производства строительных материалов, а также способствовать улучшению экологической обстановки в регионах. Например, при утилизации отходов 3-го класса опасности по Федеральному классификационному каталогу отходов (ФККО) путем использования их в качестве сырьевых компонентов в производстве строительных материалов возможно понизить класс опасности готовой продукции до 4-го. Также при активном использовании отходов освобождаются отчужденные земельные участки, занятые отвалами и полигонами ТГО. В данном случае регионы получают двойную выгоду в виде экологического и экономического эффекта. Однако для применения строительных материалов и изделий на основе техногенных отходов в строительстве

необходимо обязательное их соответствие государственным техническим стандартам [1].

В конце XX в. остро проявились противоречия между потребностью мировой цивилизации в минеральных ресурсах и возможностью литосферы их удовлетворять [2—4]. Существуют технологии добычи и переработки минеральных ресурсов, где готовая продукция составляет не более 2% от извлеченных полезных ископаемых. Остальную массу представляют отходы [2, 3].

Нерудные минеральные ресурсы обычно добывают открытым способом. Следовательно, территории карьеров исключены из хозяйственного оборота и нарушают природные ландшафты, биосферу (как минимум почвенный слой), режимы составляющих гидросферы, т. е. экологию окружающей среды. Любой рост промышленности требует увеличения производства строительных материалов. В свою очередь, рост производства строительных материалов истощает недра Земли за счет потребления минеральных ресурсов.

Таким образом, для сохранения экологического равновесия регионов необходимо: во-первых, проводить комплексное освоение всех месторождений, а во-вторых, использовать в производстве строительных

j t.

август 2017

55

Таблица 1

Производство удобрений, в том числе фосфорных, и их отходы

материалов техногенные отходы. Научные основы комплексного освоения месторождений полезных ископаемых на базе ресурсного подхода разработаны в ИПКОН РАН [5-7].

После выступлений Президента РФ В.В. Путина с посланием к Федеральному собранию в 2016 г. и проведения заседания Государственного совета по вопросу об экологическом развитии Российской Федерации в интересах будущих поколений 27.12.2016 г. об экологических проблемах вновь заговорили на всех уровнях власти.

Для реального решения экологических проблем требуется комплексная экологическая оценка техногенных отходов и их объемов на территории России. Также необходимо разработать научные основы и обоснование возможности их масштабной утилизации в производстве экологически безопасной продукции, в том числе строительных материалов, изделий и конструкций. Естественно, решение может быть найдено в совместном рассмотрении строительных материалов как материальной основы строительства, производственных и строительных технологий.

Целями статьи являются:

1) оценка экологических проблем России, связанных с нарастанием объемов техногенных отходов фос-фогипса, белого мрамора, бурового шлама, послеспир-товой барды, молочной сыворотки, тиосульфата натрия при уменьшении доступных запасов минеральных ресурсов недр Земли;

2) обоснование возможности использования указанных техногенных отходов в качестве сырьевых компонентов для производства строительных материалов и изделий.

Для оценки экологической проблемы в РФ и Европе на практике используют международные нормы: ГОСТ Р ИСО 14040-2010 «Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла. Принципы и структура» и ГОСТ Р ИСО 14050-2009 «Менеджмент окружающей среды». На первом этапе для оценки объемов и опасности техногенных отходов применяют инвентаризационный и классификационный анализ. Инвентаризационный анализ позволяет определить объемы и жизненный цикл отходов, их вещественный, минеральный и химический, гранулометрический состав, физико-технические свойства. С помощью классификационного анализа устанавливается экологическая опасность отходов по ФККО.

Был проведен инвентаризационный и классификационный анализ отходов фосфогипса (ФГ) при производстве фосфорных удобрений (ФУ). В нем используют природное фосфатное сырье (апатиты и др.), которое добывается в основном на Крайнем Севере, в Мурманской области, и серная кислота.

Выпуск фосфорных удобрений (ФУ) по статистике составляет около 18% от общего производства минеральных удобрений (МУ). При производстве 1 т фосфорных удобрений образуется 1,6-2,5 т ФГ [2-4, 8].

По данным Ю.Г. Мещерякова и С.В. Федорова [2, 3], на конец 1987 г. в СССР в отвалах и на полигонах скопилось около 164 млн т фосфогипса. Такие отвалы и полигоны занимали более 1200 га земельных участков. Причем ежегодный прирост массы отходов фосфогипса в советское время составлял в среднем 10-15 млн т, а по данным [2, 3], прирост фосфогипса в отвалах достигал 20 млн т. В 1990 г. производство минеральных удобрений и потребление серной кислоты значительно снизилось. В табл. 1 приведено производство минеральных удобрений в пересчете на 100% питательного вещества.

На основании данных ЦСУ СССР и Росстата РФ была подсчитана общая масса техногенных отходов ФГ в России по состоянию на 1 января 2017 г. Она составила 340-375 млн т, а занимаемые площади отвалов - более 2 тыс га.

В России ФУ, при выпуске которых образуется большое количество ФГ, производят примерно 15 фирм. Наиболее крупными являются: ОАО «Аммофос» (г. Череповец, Вологодская обл.), ОАО «Аммофос» (г. Волжский, Волгоградская обл.), ОАО «Акрон» (города Великий Новгород, Дорогобуж, Смоленская обл.), ООО «ПГ «Фосфорит» (г. Кингисепп, Ленинградская обл.) и АО «Воскресенские минеральные удобрения» (г. Воскресенск, Московская обл.). ФГ образуется также на алюминиевых заводах, например на ОАО «Волховский алюминиевый завод» (г. Волхов, Ленинградская обл.) и др. Следует отметить, что в настоящее время в РФ мощности заводов минеральных удобрений загружены в основном на 50-60%. Следовательно, можно ожидать существенного увеличения образования техногенного ФГ при улучшении конъюнктуры рынка удобрений, особенно в самой России, так как основные объемы продукции экспортируются за рубеж.

ФГ размещается на полигонах. Утилизируется не более 10% от годового выхода этих отходов. Наиболее крупными полигонами, где размещают ФГ, являются Лопатинский - недалеко от г. Воскресенска Московской обл., городов Волхова и Кингисеппа Ленинградской обл., г. Череповца Вологодской обл., г. Волжского - пригорода Волгограда и др. Например, Лопатинский полигон, по разным оценкам, занимает более 900 га земель. На его территории размещено 65-75 млн т ФГ.

Год Выпуск МУ, млн т Выпуск ФУ, млн т Отходы ФГ, млн т

1980 24,8 4,46 9,8-11,1

1986 34,7 6,25, 13,7-15,6

1988 37 6,66 14,6-16,6

1990 15,9 4,9 10,8-12,3

1991 15,04 4,27 9,4-10,7

1992 12,3 3 6,6-7,5

1993 8,6 2,05 4,5-5,1

1994 7,5 1,6 3,5-4

1995 8,76 1,74 3,8-4,3

1996 8,31 149 3,3-3,7

1997 9,5 1,82 4-45

1998 9,28 1,7 3,7-4,2

1999 11,53 2,12 4,7-5,3

2000 12,22 2,4 5,2-5,9

2004 15,8 2,84 6,2-7

2005 16,62 3 6,6-7,5

2006 16,2 2,8 6,1-6,9

2007 17,3 2,9 6,3-7,2

2008 16,2 2,5 5,5-6,3

2009 14,65 2,5 5,5-6,3

2010 17,6 3,1 6,8-7,7

2011 18,7 3,3 7,2-8,2

2012 17,6 3,2 7-7,9

2013 18,3 3,1 6,8-7,7

2014 19,6 3 6,6-7,5

2015 19,92 3,22 7,1-8,1

2016 19,99 3,27 7,1-8,1

Обобщенные данные по экологической оценке и свойствам ФГ сведены в табл. 2, а по химическому составу ФГ разных полигонов [2—4, 8—10] — в табл. 3.

Авторами работы [7] были проведены количественные анализы по наличию радиоактивных изотопов в фосфогип-се, в частности изотопов стронция Sr. Никаких изотопов обнаружено не было. Следовательно, с этой точки зрения он экологически безопасен, что подтверждают данные табл. 3. На основе фосфогипса можно производить строительные материалы (гипс, известь, сухие смеси и др.) и изделия (плиты перегородок и блоки) для внутренних работ.

В отвалах ФГ подвергается воздействию солнечной радиации, ветровым нагрузкам, атмосферным осадкам. В результате фосфорная и серная кислоты, их соли и другие растворенные вещества, соединения фтора могут проникать в подземные и поверхностные грунтовые воды, водоемы и загрязнять атмосферу, гидросферу и биосферу на многие километры вокруг полигона.

Проведенные исследования [2—4, 8—10] показали, что при утилизации ФГ возможно получение строительного гипса, извести, ячеистых бетонов, органомине-ральных добавок в бетоны и растворы, использование при производстве портландцемента. Такие результаты интересны для отрасли по производству строительных материалов и химических фирм, имеющих большие отходы ФГ, который до сих пор практически не утилизируется, а объемы его отвалов увеличиваются.

Экологические проблемы территорий, а также уменьшение доступных минеральных ресурсов диктуют использование ФГ. Это необходимо по следующим причинам [1, 8—10]:

— проблеме утилизации ФГ не уделялось должного внимания, что привело к образованию его огромных объемов;

— организация полигонов, транспортирование и хранение ФГ приводят к большим материально-техническим и эксплуатационным затратам;

— под полигоны отчуждаются большие территории земельных угодий;

— полигоны в настоящее время переполнены, что наносит большой ущерб окружающей среде.

ФГ можно утилизировать в производстве строительных материалов и вносить до 7 т на 1 га пахотной земли в сельском хозяйстве для раскисления солонцовых почв. При этом образуется растворимый сульфат натрия, который вымывается водой. ФГ можно применять как удобрение за счет наличия Р205, входящего в состав фосфорных удобрений.

Утилизировать в производстве экологически безопасных материалов и изделий для строительства можно и такие техногенные отходы, как послеспиртовая барда, молочная сыворотка и тиосульфат натрия [8—10].

Послеспиртовая барда получается в виде отхода производства этилового спирта. Была проведена экологическая оценка послеспиртовой барды (табл. 4). В зависимости от технологии производства на 1 л этилового спирта образуется 10—15 л барды. В России ее ежегодный выход составляют от 10 до 14 млн т, а утилизируется не более 1 млн т [8—10]. Также были получены средние показатели послеспиртовой барды российских спиртовых заводов. Характеристики послеспиртовой барды представлены в табл. 5.

При негативном влиянии указанного ТГО на окружающую среду нарушается Федеральный закон № 171-ФЗ от 22.11.1995 (ред. от 29.12.2015, с изм. от 30.03.2016) «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции и об ограничении потребления (распития) алкогольной продукции)».

По расчетам, проведенным по данным государственной статистики, после 1992 г. в РФ накоплено, слито на

Таблица 2

Обобщенная экологическая оценка фосфогипса

Код ФККО, класс опасности 31224111395, 4-й класс опасности

Негативное влияние фосфогипса на окружающую среду Общая масса отходов фосфогипса -340-375 млн т, отходами занято более 2 тыс. га земель, отходы образуют техногенные ландшафты

Перевозка, размещение и хранение на полигонах с большими материально-техническими, финансовыми и эксплуатационными затратами

Загрязнение атмосферы (пыль); биосферы (попадание в почву); гидросферы растворимыми соединениями фтора, фосфора, серы и др., механическими взвесями

Эффективная удельная активность природных радионуклидов Лэфф Лэфф = 108-115 Бк/кг - 1-й класс радиоактивности

Область применения Для производства строительных материалов

Токсичность, пожаро-и взрывобезопасность Нетоксичен, пожаро-и взрывобезопасен

Насыпная плотность, кг/м3 1150-1250

Таблица 3

Усредненный химический состав фосфогипса

Оксид Количество, мас. % Оксид, элемент Среднее значение, мас. %

SiO2 0,8-0,85 Робщ 0,1-0,17

А12О3 0,33-0,35 K2O 0,03-0,05

Fe2Oз 0,24-0,267 Na2O 0,04-0,05

СаО 39-39,4 MgO 0,03-0,04

SOз 59,1-59,4 Mn 0,01-0,02

Р2О5 общ 0,71-0,76 Cl 0,01-0,02

Р205 водораст 0,02-0,07 Sr -

Таблица 4

Экологическая оценка послеспиртовой барды

Код ФККО, класс опасности

Оценка негативного влияния послеспиртовой барды на окружающую среду

30121102395; 5-й класс опасности

Загрязнение гидросферы при сливе на землю и попадании барды в грунтовые воды, водоемы, канализацию без очистки

Отчуждение территорий и материально-технические затраты на строительство накопителей для барды

Загрязнение атмосферы парами барды при хранении ее в накопителях и емкостях

Загрязнение биосферы: большие дозы барды приводят к ухудшению свойств и плодородия почв пахотных земель и лесов

землю или в канализацию от 150 до 300 млн т после-спиртовой барды. Указанное обстоятельство и данные табл. 4 и 5 доказывают необходимость ее утилизации. По данным В.И. Теличенко, В.И. Соловьева, Е.В. Ткач, С.А. Ткача и др. [8—10], послеспиртовую барду можно использовать в виде гидрофильного компонента в орга-

< \ научно-технический и производственный журнал

Таблица 5

Характеристики послеспиртовой барды

Состав послеспиртовой барды, % Исходное зерно для получения спирта

Рожь Кукуруза Овес Ячмень Картофель

Вода 92,65 93,15 91,86 93,10 95,64

Сухие вещества 7,35 6,85 8,14 6,90 4,36

Растворимые вещества (в пересчете на сухие) 2,89 2,49 1,97 2,7 2,1

Редуцирующие вещества (в пересчете на мальтозу) 0,42 0,53 0,26 0,44 0,31

Редуцирующие вещества после гидролиза с HCl 0,74 0,55 0,61 0,4 0,22

Крахмал 0,28 0,47 - - 0,37

Пентозаны (в фильтрате) 0,46 0,41 0,23 0,41 0,45

Гемицеллюлозы 1,73 1,78 1,35 1,18 2,28

Клетчатка 0,48 0,32 0,85 0,65 0,31

Азот 0,267 0,4 0,19 0,24 0,171

- в том числе в фильтрате 0,089 0,04 0,129 0,067 0,056

- зола 0,45 0,4 0,57 0,57 0,51

Таблица 6

Экологическая оценка молочной сывортки

Код ФККО, класс опасности

Оценка негативного влияния молочной сыворотки на окружающую среду

30115000000, 4-й класс опасности

Отчуждение территорий и материально-технические затраты на строительство накопителей для молочной сыворотки

Загрязнение биосферы - почвы при сливе на землю

Загрязнение гидросферы при сливе на землю, в водоемы и грунтовые воды или канализацию без предварительной переработки: происходит загрязнение токсичными продуктами распада (меркаптаны, альдегиды, сложные эфиры). Молочная сыворотка имеет загрязняющую способность в 500-1000 раз больше, чем бытовые сточные воды

Таблица 7

Вещественный состав и свойства молочной сыворотки

Показатели Молочная сыворотка

Подсырная Казеиновая Творожная

Сухое вещество, %, в том числе 4,5-7,2 4,2-7,4 4,5-7,5

молочный жир 0,05-0,5 0,05-0,4 0,02-0,1

белок 0,5-1,1 0,5-1,4 0,5-1,5

лактоза 3,9-4,9 3,2-5,1 3,5-5,2

минеральные соли 0,3-0,8 0,5-0,8 0,3-0,9

Кислотность, Т 15-25 50-85 50-120

Плотность, кг/м3 1018-1027 1019-1026 1020-1025

номинеральном модификаторе для цементных систем (цементных бетонов и растворов).

На молочных заводах массово образуется побочный продукт - молочная сыворотка. Она имеет низкую стоимость. Была проведена экологическая оценка сыворотки (табл. 6). Инвентаризационный анализ установил, что в России при производстве молочных продуктов ежегодно образуется более 6 млн т молочной сыворотки и лишь менее 3 млн т идет на переработку в пищевую отрасль.

Были определены средние вещественный и элементный составы молочной сыворотки и ее компонентов (табл. 7 и 8).

В результате исследований определено, что все усредненные показатели сывороток ведущих российских молочных комбинатов соответствуют ГОСТ Р 53438-2009 «Сыворотка молочная. Технические условия». По этим показателям они также могут быть утилизированы в производстве органоминеральных модификаторов для цементных систем [8-10]. В результате утилизации можно достигнуть существенного экологического эффекта.

В отвалах предприятий, где на производстве используют хромовые соединения, образуются отходы техногенного тиосульфата натрия (ТН) или гипосульфита. Его запасы в настоящее время оценивают более 2 млн т, код в ФККО - 94140152404, относится к 4-му классу опасности. В отвалах бесцветные кристаллы или гранулы с формулой Na2S2Oз практически не слеживаются. Фотографический ТН может иметь белый оттенок, а технический - желтоватый или розоватый. Его молярная масса - 158,11 г/моль, плотность - 1,667 г/см3. Может существовать в виде кристаллогидрата Na2S2O3•5H2O, плотность кристаллогидрата 1,715 г/см3. ТН хорошо растворим в воде - растворимость 70,1 г/100 мл (за 20 сут); 229 г/100 мл (за 80 сут); рН водного раствора при 20оС - от 6,5 до 9,5. В отвалах предприятий количество ТН в пересчете на Na2S2O3•5H2O, составляет от 98,1 до 98,8 мас. %. В отвалах установлены интервалы количеств железа ^е) - 0,02-0,029 мас. %, нерастворимых в воде веществ - 0,01-0,029 мас. %, сернистого натрия (Na2S) - 0,0009-0,001 мас. %, тяжелых металлов (РЬ) - 0,0008-0,001 мас. %, кальция и магния, а также веществ, нерастворимых в аммониевых растворах, - 0,01-0,02 мас. %. Все эти результаты обследований соответствуют требованиям ГОСТ 244-76 для фотографического и технического тиосульфата натрия.

Авторы [8-10] рекомендуют использовать его в качестве стабилизатора ячеисто-бетонной смеси и ускорителя твердения при гидратации цементных систем.

Ресурсный подход [5-7] позволяет оценить качество освоения Коелгинского месторождения белого мрамора в Челябинской области, где образуется большое количество тонкодисперсных отходов [11-13]. Коелгинское месторождение является одним из крупнейших в мире: годовая добыча составляет 40-100 тыс. м3. Большие экологические проблемы связаны с тем, что при добыче и обработке мрамора отходы составляют до 35%. В год образуется до 450 тыс. т техногенных тонкодисперсных

научно-технический и производственный журнал Ci ГгJijjj-ül?

58 август 2017

Таблица 8 Элементный состав солей сыворотки, мг/100 г

Элемент Количество,%

Na 42

K 130

Ca 60

Mg 8

P 78

Fe 0,1

Рис. 1. Микроструктура тонкодисперсных отходов мрамора

Рис. 2. Микроструктура бурового шлама

Таблица 9 Гранулометрический состав тонкодисперсных отходов мрамора

Образование, подъем бурового шлама вместе с буровым раствором

Диаметр частиц, мкм Количество, %

0-9 27-27,2

10-49 21-21,4

50-99 23-23,4

100-199 15-15,1

200-299 7,5-8,1

300-360 5,8-6,2

Проход отходов бурения через сита, отбор крупных частиц, сепарация бурового шлама и отделение бурового раствора

Обезвреживание, транспортировка бурового шлама в отвалы, амбары и др.

Негативные эффекты:

- оттаивание ММП при бурении и подъеме шлама наверх;

- отчуждение площадей для его хранения;

- вред ландшафту, почвам, растительности;

- отравление воды;

- изменение режимов сезонного оттаивания мерзлых пород, снега, подземных и поверхностных вод, рек и водоемов;

- при хранении толщ бурового шлама в отвалах происходит оттаивание льда в ММП, образуются термокарсты и др.

Таблица 10 Элементный и химический состав тонкодисперсных отходов мрамора

Погрузка и отправка бурового шлама на утилизацию на склад

исходного сырья цеха по производству керамического кирпича - конец жизненного цикла бурового шлама

Элемент Содержание, мас. %

Ca 41,3-42,7

C 10,2-10,9

O 46,1-46,5

Оксиды Содержание, мас. %

CaO 57,2-57,6

CO2 42,5-42,7

Вальцы грубого и тонкого помола

Дозатор по массе

Негативные воздействия технологии с использованием бурового шлама:

-вредные выбросы; -расход энергии;

-образование керамической пыли; -образование отходов в виде брака; -выбросы в атмосферу парниковых газов; -шумовое загрязнение при производстве; -отходы при транспортировке кирпича

Смеситель

Вода

Полусухое прессование

Короткая сушка и обжиг сырца

Склад готовой продукции -щелевого кирпича

Рис. 3. Блок-схема жизненного цикла и негативных экологических эффектов размещения бурового шлама и производства кирпича на его основе

отходов мрамора. Их суммарная масса в отвалах составляет 20-25 млн т. Тонкодисперсные отходы мрамора относятся к 3-му классу опасности и занимают свыше 20 га. Это оказывает негативное влияние на окружающую среду не только территории месторождения, но и всего Южного и Среднего Урала.

При хранении в отвалах на техногенные отходы мрамора постоянно действуют атмосферные осадки, солнечный свет, колебания температуры, ветровые нагрузки, грунтовые воды и т. п.

Белый мрамор состоит из кальцита без примесей. Он имеет среднюю стойкость к выветриванию, хорошо обрабатывается, шлифуется и полируется [11-14].

Отходы образуются в виде щебня, песка, пыли и шлама после абразивной обработки изделий. В строительстве широко используют щебень и песок [14]. Тонкодисперсные отходы можно использовать как наполнитель в линолеумах, красках, сухих строительных смесях и при производстве других строительных материалов.

Инвентаризационный анализ тонкодисперсных отходов мрамора установил, что более 71 мас. % имеют размеры менее 100 мкм (табл. 9), а удельная поверхность равна 2540-2555 см2/г. Такие частицы склонны к пыле-образованию в нижних слоях атмосферы. Истинная плотность этих частиц мрамора 2,66-2,67 г/см3.

Были проведены рентгенофазовый и микроструктурный (рис. 1), элементный и химический анали-

зы тонкодисперсных отходов мрамора (табл. 10). Классификационный анализ относит эти отходы к 3-му классу опасности.

Во время жизненного цикла тонкодисперсных отходов добычи и обработки мрамора на окружающую среду оказывают воздействия следующие негативные процессы:

• истощение ресурсов недр Земли (литосферы и гидросферы);

• нарушение природного равновесия в экосистеме;

• загрязнение гидросферы, включая грунтовые подземные, поверхностные, талые воды, изменение гидрологического режима рек и водоемов;

• нарушение и уничтожение плодородного слоя биосферы (почвы);

• изменение природных и формирование техногенных ландшафтов;

• загрязнение атмосферы пылью и испарениями;

• повышенные шумовые нагрузки при добыче, перевозке и обработке;

• образование минеральных и/или техногенных отходов при добыче, обработке, размещении или захоронении, утилизации;

• уничтожение или деградация растительного и животного мира.

В случае использования тонкодисперсных отходов мрамора в производстве строительных материалов их

< \ научно-технический и производственный журнал

Таблица 11

Расходы компонентов и потенциальный выпуск кирпича с использованием тонкодисперсных отходов мрамора

Цвет и возможный объем выпуска кирпича Наименование показателей Расходы компонентов, кг/м3

Терракотовый (темно-коричневый) - 41,7-50 млн шт. Глинистая порода 1500

Тонкодисперсные отходы мрамора 300

Вода 465

Светло-красный (розоватый) - 33,8-40,5 млн шт. Глинистая порода 1300

Тонкодисперсные отходы мрамора 370

Вода 403

Палевый (соломенный) - 28,4-34,1 млн шт. Глинистая порода 1100

Тонкодисперсные отходы мрамора 440

Вода 341

Таблица 12

Количество скважин и объем бурения в СССР и России

жизненный цикл можно представить в виде следующих технологических операций:

• снятие и вывоз почвенного слоя по всей площади карьера;

• снятие вскрышных пород и их перевозка в отвалы и т. п.;

• добыча крупных блоков мраморной породы и транспортировка к месту обработки;

• грубая обработка и распиловка блоков по заданным размерам;

• шлифовка и полировка мраморных изделий;

• сбор и сортировка ТГО мрамора;

• транспортировка ТГО мрамора в отвалы;

• транспортировка ТГО мрамора из отвалов на место производства строительных материалов на основе этих ТГО.

После доставки ТГО мрамора на склад сырьевых компонентов производства строительного материала, жизненный цикл ТГО заканчивается. Он становится составной частью жизненного цикла строительного материала.

Это позволяет прогнозировать негативные воздействия ТГО на окружающую среду и разрабатывать спо-

собы их снижения во время всего жизненного цикла строительного материала или изделия. Практически для любого строительного материала или изделия на основе утилизируемых ТГО классификационный анализ определит снижение уровня экологической опасности изделий по сравнению с самими ТГО.

Весьма существенной задачей экологической оценки является определение эффекта, равного экологическому ущербу от отчуждения территорий под отвалы тонкодисперсных отходов мрамора. Для этого был проанализирован экологический эффект от их утилизации за счет сокращения площадей, занятых отвалами. Его предлагается оценивать по ущербу окружающей среде от загрязнения территории горно-промышленного комплекса. Расчет проведен в соответствии с методикой [15].

По расчету установлено, что нанесенный ущерб окружающей среде от размещения (складирования) в отвалах тонкодисперсных отходов мрамора для Челябинской области равен около 500 тыс. р./год в ценах 2017 г. С учетом количества отходов, уже размещенных в отвалах ОАО «Коелгамрамор», оценка экологического ущерба составляет 25—30 млн р.

Утилизация тонкодисперсных отходов мрамора, например в производстве эффективного облицовочного керамического кирпича, может снизить экологическую нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения объема отходов в отвалах. Это позволит сократить площади отчужденных территорий под отвалы и вернуть земельные участки в хозяйственный оборот. В статьях [11—13] были определены расходы тонкодисперсных отходов мрамора на 1 м3 формовочной смеси для производства керамического кирпича. Было рассчитано количество кирпича формата 1НФ, которое можно произвести при полной утилизации тонкодисперсных отходов мрамора в отвалах комплекса ОАО «Коелга-мрамор». Результаты представлены в табл. 11.

На основе тонкодисперсных отходов мрамора можно производить керамический кирпич, соответствующий ГОСТ РФ и имеющий 4-й класс опасности. Было установлено, что обжиг отформованного керамического сырца осуществляется при температуре 850—900оС. При этом частицы мрамора не подвергаются декарбонизации.

Экологическая оценка по жизненному циклу готовых изделий на основе указанных в этом обзоре ТГО с учетом технологий их производства и времени эксплуатации является многофакторной и будет рассмотрена в следующей статье.

В настоящее время добыча углеводородного сырья является для большинства стран стратегической задачей. Россия придает этому вопросу первостепенное значение. Поэтому нефте- и газоносные территории осваиваются быстрыми темпами.

При бурении разведочных и эксплуатационных нефтяных и газовых скважин на поверхность земли подня-

Год Проходка*, млн м3 Количество скважин, шт., выбуренная порода, млн м3

1970 «9 3000-4500 0,45-0,621

1980 «20 6670-10000 1-1,38

1990 «43 14333-21500 2,15-2,967

1991 «41 13667-20500 2,05-2,84

2000 «6 2000-3000 0,3-0,414

2010 «18 6000-9000 0,9-1,242

2012 20,5 6833-10250 1,025-1,414

2014 20,22 6740-10110 1,011-1,395

2015 22,64 7546-11320 1,132-1,562

2016 25,49 8497-12745 1,275-1,759

* Объемы проходки при бурении эксплуатационных и поисково-разведочных скважин взяты в том числе по диаграммам [19].

ты, а затем направлены в отвалы, амбары, ямы миллионы тонн бурового шлама. Вокруг буровых площадок шлам занимает большие территории. Это наносит колоссальный вред окружающей среде, нарушает равновесие всей экосистемы в целом. Такие процессы отрицательно влияют на гидро-, биосферу, разрушают почву и убивают растительность, мешают устойчивому развитию перспективных регионов России. Классификационный анализ относит буровой шлам к 3-му классу опасности [16—18].

В процессе проведения инвентаризационного анализа были определены объем и масса бурового шлама, выбуренного при освоении всех видов скважин с 1970 по 2016 г. (табл. 12). При этом объем выбуренных пород определялся на основании величины общей длины проходки за весь указанный период, средней глубины скважины и диаметров долот (буров). Средние глубины скважин были приняты 2 и 3 тыс. м. Именно такие глубины в среднем имеют скважины в нашей стране.

Буровой шлам после его поднятия на поверхность земли имеет влажность 500—800%, рН=10—12, среднюю плотность 1050—1260 кг/м3, истинную плотность 2,564—2,565 г/см3. В возрасте одного года буровой шлам в естественном состоянии имеет среднюю плотность около 1500 кг/м3.

По расчету, проведенному по данным табл. 12, был определен суммарный объем выбуренных пород при проходке эксплуатационных и поисково-разведочных скважин в 1970—2016 гг. с рядом допущений по конструкциям и глубине скважин, использованным долотам, который составил 40—60 млн м3, или 60—90 млн т. Следует отметить, что в СССР и РФ многие скважины имеют глубину по вертикали более 3 тыс. м. Поэтому накопленную за эти годы массу ТГО в виде отсепариро-ванного и лежалого бурового шлама можно оценить около 100 млн т. Соответственно этот объем занимает большие территории.

В настоящее время проблема захоронения или утилизации бурового шлама в крупнейших нефтегазодобывающих регионах мира является большой экологической и технической проблемой.

В работах [1, 8, 11, 16—18] установлено, что самым рациональным ресурсосберегающим способом размещения техногенных отходов является их утилизация в производстве строительных материалов и изделий. Это позволит высвободить территории, занятые отвалами бурового шлама, и получить эколого-экономический эффект.

Существующие способы складирования и захоронения бурового шлама требуют больших финансовых и материальных затрат, площадей [16—18]. Предлагаемая методика позволяет провести комплексную экологическую оценку масштабной утилизации бурового шлама в производстве строительных изделий, например керамического кирпича.

Комплексная балльная экологическая оценка осуществлялась по минимальным, средним и максимальным негативным воздействиям (1, 2, 3 балла соответственно) на атмосферу, литосферу, биосферу, гидросферу. На основании инвентаризационного анализа общая сумма составила 29 баллов [16—18]. Установлено,

Таблица 13

Обобщенный элементный и химический анализ бурового шлама

Элемент Содержание атомов, % Оксид Содержание оксидов, %

Na 0,9-1,83 Na^p 1,13-1,17

Mg 0,99-2,06 Mg О 1,39-1,62

Al 4,66-9,99 AlA 15,46-17,59

Si 10,09-23,09 Si02 47,95-54,48

S 1,12-2,65 SO 2,18-2,35

Cl 0,39-0,9 Cl2O 0,68-0,89

K 0,59-1,31 K2O 1,12-1,42

Ca 9,96-10,21 CaO 10,22-12,24

Ti 0,09-0,21 TiO2 0,28

Fe 0,89-2,03 Fe2O3 4,88-5,14

Ba 0,29-0,72 BaO 1,82-2,73

что буровой шлам можно применять в качестве компонента для производства щелевого кирпича полусухого прессования, разработаны его технология и технические условия. Определены усредненные физико-технические свойства бурового шлама: средний размер частиц шлама — 26,2 мкм; коэффициент усушки — 1,05; огневая усадка при ? = 950—1050оС — 4,6—6,4%; нижняя граница текучести — 26,4—26,9%; граница раскатывания — 14,3—14,7%; число пластичности — 12,1—12,2%; удельная эффективная активность естественных радионуклидов (по ГОСТ 30108-94) - 270-271 Бк/кг, а также элементный и химический состав (табл. 13), микроструктура (рис. 2).

Буровые шламы содержат некоторое количество бурового раствора, необходимого в процессе бурения скважины. Это следует учитывать при экологической оценке. Буровые шламы большинства нефтегазокон-денсатных месторождений (НГКМ) мира имеют практически одинаковые минеральные компоненты в составе. Его основную массу составляют частицы кварца, немного меньше карбонатов в виде кальцита, доломита, арагонита, магнезита, есть небольшое количество полевых шпатов, барита, гипса и ангидрита, слюд и гидрослюд, глинистых минералов в виде бентонита, каолинита, галлуазита, монтмориллонита.

Средний размер частиц бурового шлама 20-30 мкм. Их массовая доля составляет 50-60%. На первом сите отсеивается шлам, который можно отнести к очень крупному строительному песку. Содержание крупных частиц незначительно.

По минеральному и дисперсному составу буровой шлам можно использовать в строительных растворах и сухих смесях, производстве дорожных оснований, тротуарной плитки, кирпича и блоков [16-18].

Были оптимизированы составы формовочной смеси для получения полнотелого керамического кирпича, а также кирпича с 2, 4, 6 и 8 продольными щелями. Свойства кирпича и кладки толщиной 510 мм представлены в табл. 14.

Таблица 14

Технические свойства кирпича на основе бурового шлама и кладки

Число щелей, шт. Средняя плотность кирпича, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа (марка) Марка по морозостойкости, циклы Термическое сопротивление кладки, м2.оС/Вт Увеличение термического сопротивления кладки, раз

0 1805 10,8 (М100) F75 0,71 -

4 1250 8,6 (М75) F75 1,9 2,7

8 700 6,2 (М50) F75 2,3 3,2

j J .

август 2017

61

Керамический кирпич на основе бурового шлама соответствует ГОСТ 530—2012. Жизненный цикл и технология производства включают: добычу сырьевых компонентов, дозирование компонентов, подготовку формовочной смеси, полусухое прессование смеси, сушку отформованного сырца, обжиг сырца, отправку на склад готовой продукции. При использовании бурового шлама температуру обжига возможно снизить.

Была разработана блок-схема жизненного цикла и негативных экологических эффектов размещения бурового шлама и производства кирпича на его основе (рис. 3). Это позволило разработать теоретические положения зависимости негативных экологических эффектов размещения бурового шлама на его жизненный цикл. Определены жизненный цикл щелевого кирпича на основе бурового шлама и технология производства на существующих заводах с традиционными технологическими переделами, полусухим прессованием смеси, обжигом, складированием готовой продукции.

Авторы [16, 18, 19] подсчитали, что, например, на Бованенковском НГКМ в отвалах накоплено около

Список литературы

1. Теличенко В.И., Орешкин Д.В. Материаловедческие аспекты геоэкологической и экологической безопасности в строительстве // Экология урбанизированных территорий. 2015. № 2. С. 31—33.

2. Мещеряков Ю.Г., Колев Н.А., Федоров С.В., Сучков В.П. Производство гранулированного фос-фогипса для цементной промышленности и строительных изделий // Строительные материалы. 2009. № 5. С. 104-106.

3. Мещеряков Ю.Г., Федоров С.В. Промышленная переработка фосфогипса. СПб.: Издательство «Стройиздат СПб», 2007. 104 с.

4. Ивочкина М.А. Изучение техногенных отложений в отвалах фосфогипса при переработке исходного формирования свойств сырья различных месторождений // Инженерный вестник Дона. Электронный журнал. 2013. № 1. URL: http://www.ivdon.ru/magazine/ archive/nly2013/1535 (дата обращения 10.04.2017).

5. Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р. и др. Комплексное освоение месторождений и глубокая переработка минерального сырья. М.: Наука, 2010. 437 с.

6. Чантурия В.А., Чаплыгин Н.Н., Вигдергауз В.Е. Стратегия сокращения, вторичного использования и переработки отходов горно-промышленного производства в исследованиях Российской академиии наук // Современные проблемы комплексной переработки природного и техногенного сырья. 2005. С. 230-235.

7. Чаплыгин Н.Н. Основания экологической теории комплексного освоения недр. М.: ИПКОН РАН, 2006. 102 с.

8. Ткач С.А., Теличенко В.И. Решение экологических задач в процессе утилизации техногенных отходов при производстве газобетона // Экология урбанизированных территорий. 2016. № 2. С. 39-44.

9. Ткач Е.В., Ткач С.А., Серова Р.Ф., Стасилович Е.А. Получение модифицированных газобетонных изделий на основе отходов промышленности и вторичного сырья // Современные проблемы науки и образования. Электронный журнал. 2015. № 1-2. С. 83-88.

10. Соловьев В.И., Серова Р.Ф., Ткач С.А. Исследование пористости цементного камня, модифицированного комплексными органоминеральными модификаторами // Фундаментальные исследования. 2014. № 8 (часть 3). С. 590-595.

11. Землянушнов Д.Ю., Соков В.Н., Орешкин Д.В., Сканави Н.А. Утилизация тонкодисперсных отходов обработки мрамора в производстве лицевой керами-

1,2 млн т бурового шлама. Крупные остатки на ситах можно использовать в производстве фибробетонной смеси для балластировки подводных трубопроводов [16—18].

Таким образом, определены экологические проблемы РФ, связанные с нарастанием объемов ТГО: фосфогипса, белого мрамора, бурового шлама, послеспирто-вой барды, молочной сыворотки, тиосульфата натрия при уменьшении доступных запасов минеральных ресурсов недр Земли для производства строительных материалов и изделий. Разработаны научные основы комплексной методики экологической оценки ТГО и их утилизации в производстве материалов и изделий. Обоснована возможность использования указанных техногенных отходов как сырьевых компонентов для производства строительных материалов и изделий при одновременном решении экологических проблем территорий за счет масштабной утилизации ТГО. Это расширяет сырьевую базу и способствует комплексному и бережному освоению недр, их минеральных и техногенных ресурсов. Утилизация ТГО позволяет получить огромный эколого-экономический эффект в масштабах России.

References

1. Telichenko V.I., Oreshkin D.V. Material aspects of geo-ecological and environmental safety in construction. Ecologiya urbanizirovannyx territoriy. 2015. No. 2, pp. 31—33. (In Russian).

2. Meshhyarikov Yu.G., Kolev N.A., Fedorov S.V., Suchkov V.P. Production of phosphogypsum for cement industry and building products. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 5, pp. 104-106. (In Russian).

3. Meshhyarikov Yu.G., Fedorov S.V. Promyshlennaya pererabotka fosfogipsa [Industrial processing of phosphogypsum]. Saint Petersburg: Stroyizdat SPb. 2007. 104 p.

4. Ivochkina M.A. Study technogenic sediments in phos-phogypsum dumps during the processing of the original formation of the various raw materials deposits. Inzhenernyj vestnik Dona Electronic journal. 2013. No. 1. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/nly2013/1535 (date of access 14.04.2017) (In Russian).

5. Trubeckoj K.N., Kaplunov D.R. etc. Kompleksnoe osvoe-nie mestorozhdenij i glubokaya pererabotka mineral'nogo syr'ya [Integrated development and deep processing of mineral raw materials]. Moscow: Nauka. 2010. 437 p.

6. Chanturiya V.A., Chaplygin N.N., Vigdergauz V.E. Strategy of reduction, reuse and recycling of mining and industrial production in researches of the Russian Academy of Sciences. Sovremennye problemy kompleks-noy pererabotki prirodnogo i tekhnogennogo syr'ya. 2005, pp. 230-235. (In Russian).

7. Chaplygin N.N. Osnovaniya ecologicheskoj teorii kom-pleksnogo osvoeniya nedr [Founding ecological theory of integrated development of mineral resources]. Moscow: IPKON RAN. 2006. 102 p.

8. Tkach S.A., Telichenko V.I. Addressing environmental challenges in the process of disposing of waste in the production of man-made aerated concrete. Ecologiya urbanizirovannyx territory. 2016. No. 2, pp. 39-44. (In Russian).

9. Tkach E.V., Tkach S.A., Serova R.F, Stasilovich E.A. Getting modified concrete products on the base of industrial wastes and secondary raw materials. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2015. No. 1-2, pp. 83-88. (In Russian).

10. Solov'yov V.I., Serova R.F., Tkach S.A. Researches of porosity of a cement stone, modified complex organomin-eral modifiers. Fundamental'nye issledovaniya. 2014. No. 8 (Part 3), pp. 590-595. (In Russian).

11. Zemlyanushnov D.Yu., Sokov V.N., Oreshkin D.V., Skanavi N.A. Recycling of fine marble processing waste

ки // Вестник ИрГТУ. 2014. № 9 (92). С. 122-126.

12. Землянушнов Д.Ю., Соков В.Н., Орешкин Д.В. Использование тонкодисперсных отходов обработки мрамора в технологии облицовочной керамики // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 4. С. 108-114.

13. Землянушнов Д.Ю., Соков В.Н., Орешкин Д.В. Эколого-экономические аспекты применения тонкодисперсных отходов мрамора в производстве облицовочных керамических материалов // Вестник МГСУ. 2014. № 8. С. 118-126.

14. Moumouni A., Goki N.G., Chaanda M.S. Geological exploration of marble deposits in Toto Area, Nasarawa State, Nigeria // Natural Resources. 2016. No. 7, pp. 8392. http://dx.doi.org/10.4236/nr.2016.72008

15. Рекус И.Г., Шорина О.С. Основы экологии и рационального природопользования. М.: Изд-во МГУП, 2012. 146 с.

16. Орешкин Д.В., Сахаров Г.П., Чеботаев А.Н., Курбатова А.С. Геоэкологические проблемы утилизации бурового шлама на Ямале // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 125-129.

17. Oreshkin D.V., Chebotaev A.N., Perfilov V.A. Disposal of drilling sludge in the production of building materials // Procedia Engineering. 2015. Vol. 111, pp. 607-611.

18. Чеботаев А.Н. Возможность утилизации бурового шлама Бованенковского месторождения в производстве строительных материалов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2015. № 9. С. 25-28.

19. Богоявленский В.И. Достижения и проблемы геологоразведки и ТЭК России // Бурение и нефть. 2013. № 3. С. 3-7.

in the production of front ceramics. VestnikIrGTU. 2014. No. 9 (92), pp. 122-126. (In Russian).

12. Zemlyanushnov D.Yu., Sokov V.N., Oreshkin D.V. Using fine marble processing waste in the technology of facing ceramics. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh'ya. 2014. No. 4, pp. 108-114. (In Russian).

13. Zemlyanushnov D.Yu., Sokov V.N., Oreshkin D.V. Ecological and economic aspects of fine waste of marble in the manufacture of facing ceramic materials. Vestnik MGSU. 2014. No. 4, pp. 118-126. (In Russian).

14. Moumouni A., Goki N.G. Chaanda M.S. Geological Exploration of Marble Deposits in Toto Area, Nasarawa State, Nigeria. Natural Resources. 2016. No. 7, pp. 8392. http://dx.doi.org/10.4236/nr.2016.72008.

15. Rekus I.G., Shorina O.S. Osnovy ekologii i racional'nogo prirodopol'zovaniya [Fundamentals of ecology and environmental management]. Moscow: MGUP Publishing House. 2012. 146 p.

16. Oreshkin D.V., Saharov G.P., Chebotaev A.N., Kurbatova A.S. Geoecological problem of disposing of drilling sludge on Yamal. Vestnik MGSU. 2012. No. 2, pp. 125-129. (In Russian).

17. Oreshkin D.V., Chebotaev A.N., Perfilov V.A. Disposal of drilling sludge in the production of building materials. Procedia Engineering. 2015. Vol. 111, pp. 607-611.

18. Chebotaev A.N. The possibility of disposing of drilling sludge of Bovanenko field in the production of building materials. Stroitel'stvo neftyanykh i gazovikh skvazhin na sushe i na more. 2015. No. 9, pp. 25-28. (In Russian).

19. Bogoyavlenskiy V.I. Achievements and problems of geological prospecting and the FEC of Russia. Burenie i neft'. 2013. No. 3, pp. 3-7. (In Russian).

II Международный симпозиум по долговечности и устойчивому развитию конструкционного бетона DSCS 2018

* Москва, 6-7 июня 2018 г.

Организаторы:

Итальянское отделение американского института бетона (ACI IC) и Российская инженерная академия (РИА) При участии Российской академии наук (РАН) и Российской академии архитектуры и строительных наук

Тематика симпозиума

Сокращение парниковых газов в цементной и бетонной промышленности

Рециклирование и организация удаления отходов в производстве бетонов и растворов Сульфоалюминатные цементы как альтернатива портландцементу и смешанным цементам Щелочеактивированные материалы и геополимеры для устойчивого строительства

Долговечность железобетонных конструкций Оценка жизненного цикла в строительстве из бетона Повторное использование и восстановление функциональности железобетонных конструкций Ремонт и эксплуатация Контроль, инспектирование и мониторинг Примеры из практики

Место проведения конференции: Российская академия наук, Москва, Россия

http://www.aciitaly.com/events/dscs2018 Секретариат симпозиума: ACI Italy Chapter Secretary (aciitalychapter@gmail.com) Российский секретариат: Леонид Иванов, региональная группа РИЛЕМ (l.a.ivanov@mail.ru); Сергей Бронин, Национальная группа ФИБ (bronin@list.ru).

j î .

август 2017

63