Оценка уровня загрязнения природных водных объектов, расположенных в районе функционирования глиноземного производства

ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ ECOLOGY AND NATURAL RESOURCES MANAGEMENT

Оценка уровня загрязнения природных водных объектов, расположенных в районе функционирования глиноземного производства Assessment level pollution of the natural water objects located around functioning of

aluminous production

lb Л московский

p ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ

УДК 504.3.054 DOI 10.24411/2413-046Х-2018-15087 Владимир Сергеевич Кузнецов,

к.т.н., доцент

Игорь Константинович Супрун, к.т.н., доцент

Денис Сергеевич Петров,

к.т.н, доцент

кафедра Геоэкологии, Санкт-Петербургский горный университет

Vladimir Sergeyevich Kuznetsov, PhD, associate professor

Igor Konstantinovich Suprun,

PhD, associate professor

Denis Sergeyevich Petrov,

PhD, associate professor

department of Geoecology, St. Petersburg Mining University

Аннотация. Работа посвящена вопросу оценки воздействия отходов производства глинозема (красного шлама) на природные воды. С ростом числа промышленных предприятий по производству алюминия увеличивается площадь отчуждаемых земель под хранилища отходов производства - шламохранилища. Значительная часть исследований

по утилизации красного шлама направлена на использование их в черной металлургии. Кроме того, существенное значение приобретают технологии использования красных шламов в строительной отрасли, для рекультивации почв, нейтрализации загрязненных промышленных и сельскохозяйственных территорий, а также в процессах очистки сточных вод и промышленных выбросов.

Summary. The work is dedicated to the issue of assessment of alumina (red mud) production waste on natural water. 1 The growth of the number of production facilities producing aluminium leads to the expansion of exclusion areas to store production waste - sludge dumps. A considerable part of research on red mud utilisation is focused on its use in the iron-and-steel industry. Furthermore, the technologies of red mud usage in the construction industry acquire substantial significance for land reclamation, isolation of polluted industrial and agricultural lands as well as in the course of effluent and industrial emissions treatment. Ключевые слова: алюминий, красный шлам, загрязнение, природные воды. Key words: alumina, red mud, utilisation, sludge dump.

ВВЕДЕНИЕ

В внимание безотходных технологий, в том числе и при переработке красных шламов. Создание такой технологии для шламов основано на использовании всех полезных компонентов шлама. При этом особое внимание уделяется повышению эффективности извлечения редкоземельных металлов, особенно скандий [1]. Помимо скандия красные шламы содержат и другой ценный элемент - иттрий, извлечение которого также имеет весомое значение. По содержанию скандия в своем составе красный шлам схож с бедным скандиевым сырьем. Однако в настоящее время на территории России отсутствуют предприятия, способные перерабатывать бедное сырье.

В виду роста числа промышленных предприятий, огромного количества накопленных отходов, безусловно, существует необходимость перехода от складирования шламов к их переработке.

Мировая глиноземная промышленность в основном перерабатывает бокситы высокого качества гидрохимическим способом Байера [2]. Этот Однако, способ наиболее экономичен. низкокачественные бокситы перерабатываются более дорогим, но более универсальным способом - способом спекания [3]. Основное глиноземное производство не способно нанести существенный ущерб окружающей среде. Исключение составляют шламохранилища для складирования отхода глиноземного производства - красного шлама.

Красный шлам - это смесь твердой и жидкой фаз. Жидкая фаза красного шлама является агрессивной, поскольку содержит 4-15 г/дм 3 натриевой каустической щелочи и pH до 12,9. Твердая фаза красного шлама не токсична и состоит из большого количества оксидов железа, алюминия, кальция, кремния, титана и др.

Шламохранилища занимают сотни гектаров земли. Высота их достигает 30-35 метров для бокситового красного шлама и 100 метров для нефелинового. В данной работе представлена оценка негативного воздействия отходов красного шлама на природные воды.

Шламохранилища являются источником негативного воздействия на окружающую среду. Наиболее вредное воздействие на окружающую среду шламохранилища оказывают в качестве действующих или потенциальных источников утечек насыщенных щелочных шламовых вод в поверхностные и подземные природные воды. Рассмотрим воздействие шламохранилища, расположенного в Ленинградской области РФ, рядом с предприятием, осуществляющим переработку глинозёма. При строительстве шламохранилищ на предприятии специального экранирования основания не осуществлялось. Так как покровные суглинки залегают не по всей площади основания, не исключена вертикальная фильтрация шламовых вод в песчаные грунты и далее в бассейны подземных вод. На предприятии отмечалось загрязнение грунтовых вод под шламохранилищем и около него

[4].

Для оценки воздействия шламохранилища на природные воды района был произведен отбор проб отходов [5].

Отобранные пробы были подвергнуты качественному, количественному и гранулометрическому анализам.

Качественный и количественный анализы проводились методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии, гранулометрический анализ - ситовым методом [6].

Рентгенофлуоресцентный анализ позволил выявить полный компонентный состав изучаемого отхода производства.

Гранулометрический состав отхода был определен ситовым методом. Для анализа использовался набор из 7 сит с диаметром ячеек 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм [6].

Для получения данных об уровне загрязнения поверхностных водотоков в районе нахождения объекта размещения отходов был произведен отбор проб воды [10], из водных объектов представленных на рисунке 1.

V - фоновый створ ^ - контрольный створ Рисунок 1 - Схема расположения точек отбора проб воды

Одним из путей поступления загрязняющих веществ в природные воды является их инфильтрация через «тело» шламохранилища. Атмосферные осадки, проходя через толщу отходов, вступают с ними в химические 4 реакции, в результате чего происходит растворение (выщелачивание) компонентов отхода и вынос загрязняющих веществ. В результате инфильтрации происходит загрязнение грунтовых вод. Кроме того, грунтовые воды могут быть загрязнены в результате непосредственного контакта с отходом в случае поднятия их уровня до отметки дна шламохранилища.

Результаты анализа проб красного шлама представлены в таблицах 1 и 2 [7].

Таблица 1. Результаты полуколичественного рентгеиофлуоресценшого анализа

Компонент Содержание, %

СаО 33,42

РелО^ 26,81

18,58

АЬО; 12,33

ТЮ: 3,82

N320 1,55

МвО 1Д8

К? О 0=71

МпО 0,47

Сг;Оз 0,27

Р:05 0=25

50з 0=25

&О2 0,14

5гО 0,09

кю 0,05

ТъО 0,03

СиО 0,02

Таблица 2. Результаты гранулометрического анализа красного шлали

Размер частиц >10 10-5 5-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 <0,1

Содержание фракции, % (по массе) 6,67 46,59 37,23 6,73 1 = 11 0,17 0,53 0,6

Для установления характера взаимодействия красного шламов с водой был проведен химический анализ водных вытяжек.

Для моделирования различных условий выщелачивания были различной средой: кислой - приготовлены водные вытяжки с рН 4 (моделирование атмосферных осадков), щелочной - рН 8 (моделирование было рассмотрено взаимодействие отхода грунтовых вод), а также с дистиллированной водой (рН 5,8).

Количественный анализ проб на содержание катионов вымываемых в раствор из отхода проводился на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной атомно- плазмой ICPE 9000 и абсорбционном спектрофотометре Shimadzu АА-7000 [8].

Так как основными компонентами, содержащимися в отходе, являются железо, алюминий, кальций, а также присутствуют калий, магний, натрий, марганец и хром, то полученные водные вытяжки были проанализированные на наличие этих компонентов.

В таблицах 3 и 4 представлены результаты анализа (примечание: пробы №№ 1, 2 -кислая среда, №№3,4 - дистиллированная вода, №№ 5,6 - щелочная среда).

Таблица 3

Результаты анализа методом атомно-эмиссионной спектрометрии_

1 2 Сср1,;, мг/дм3 3 4 мг/дм3 5 6 мг/дм3

А1 1 1 = 15 1,075 1,06 1,06 1,06 1,13 1,05 1,09

Са 6,54 7=1 6,82 6,8 7=36 7,03 3,43 8,32 8,375

Ре 0,42 0,674 0:547 0,664 0,631 0,6475 0,818 0,721 0,7695

К 2,29 2,82 2:555 3:62 3:35 3,455 4,20 4,34 4,27

М§ 1=07 1,17 1,12 1=2 1=34 1=27 1=54 1,49 1,515

Ха 13,8 155 14,65 15=6 14,10 14,55 20,10 22,8 21,45

Таблица 4

Результаты анализа методом атомно-абсорбционной спектрофотометрик

1 2 Сср12-мкг/дм3 3 4 Ссрз.4; мкг/дм3 5 6 Ссрг.б. мкг/дм3

Ми 34,261 33,082 33,6715 37,375 33,5060 35,4405 43,625 37,894 40,7595

Сг 15,232 4,573 9,9025 10,679 5,504 В,09135 7,187 8,964 8,0755

Исходя из полученных данных, можно сказать о том, что значения фактора рН оказывает влияние на количество вымываемых элементов только в отношении кальция, железа, натрия и марганца. В отношении остальных определяемых компонентов колебания концентраций в различных средах минимальны.

На настоящий момент количество содержащихся в шламохранилище отходов оценивается приблизительно в 30 млн. тонн. С учётом миграции веществ из шламохранилища примерное количество загрязняющих компонентов со временем может попасть в близлежащие водные объекты, а также в грунтовые воды представлено в таблице 5.

Таблица 5

Количество вымываемых компонентов из отхода

Сер 1,2, мг/дм3 Выход, мг/г Выход, % Ссрз,4, мг/дм3 Выход, мг/г Выход, % мг/дм3 Выход, мг/г Выход, %

А1 1,075 0,0215 0,00215 1,06 0,0212 0,00212 1,09 0,0218 0,00218

Са 6,82 0,1364 0,01364 7,05 0,1416 0,01416 8,375 0,1675 0,01675

Ре 0,547 0,011 0,001094 0,6475 0,01295 0,0013 0,7695 0,01539 0,00154

К 2,555 0,0511 0,00511 3,485 0,0697 0,00697 4,27 0,0854 0,00854

1Д2 0,0224 0,00224 1,27 0,0254 0,00254 1,515 0,0303 0,00303

N3 14,65 0,293 0,0293 14,85 0,297 0,0297 21,45 0,429 0,0429

Исходя из полученных данных, можно судить о том, что при инфильтрации атмосферных осадков через тело шламохранилища в окружающую среду может попасть значительное количество загрязняющих веществ и существует опасность возникновения гидрохимических ореолов загрязнения.

Следующим этапом работы является оценка существующего состояния водных объектов, располагающихся вблизи шламохранилища.

Исходя из полученных ранее результатов, был составлен перечень определяемых компонентов: железо, алюминий и марганец.

Результаты анализа проб воды представлены в таблице 6 [9].

Таблица 6

Результаты анализа проб воды

№ точки отоора 1 2 4 5 6 ПДКры5. хоз

Наименование элемента Концентрация загрязняющего вещества, мг.'дм3

Ре 0,45 0,52 0,22 0,37 0,57 0,63 0,1

А1 0,028 0,030 0,011 0,017 0,04 В 0,053 0,04

Мп 0,026 0,033 0,005 0,00& 0,039 0,046 0,01

Исходя из полученных результатов, можно сказать, что в районе расположения шламохранилища предприятия имеет место процесс инфильтрации осадков, вымывание загрязняющих веществ в грунтовые воды, что способствует загрязнению близлежащих водотоков.

ВЫВОДЫ

По результатам проведенных исследований можно сказать, что в проверенном составе шламов глиноземного производства преобладают оксиды кальция, железа, кремния и алюминия, титана, натрия, магния, калия, марганца и хрома. По гранулометрическому составу можно сделать вывод о преобладании гравелистой и крупнопесчаной фракции.

При устройстве шламохранилища не было предусмотрено устройство противофильтрационного экрана. Кроме того, естественное основание шламохранилища сложено покровными суглинками, которые не обладают достаточной степенью водонепроницаемости, а также расположены не по всей площади основания, местами сменяясь супесями. В виду этого происходит инфильтрация атмосферных осадков через толщу шламов, что приводит к выщелачиванию компонентов отхода и их миграции в грунтовые воды. Разгрузка грунтовых вод происходит в близлежащие водотоки, что способствует увеличению зоны негативного воздействия шламохранилища.

В результате исследования проб воды, отобранных из этих водотоков, можно сказать, что при инфильтрации атмосферных осадков в поверхностные водные объекты попадают такие компоненты как железо и марганец. В природных водах района нахождения глиноземного производства отмечаются повышенные концентрации алюминия, однако шламохранилище не является источником данного загрязнения, так как в исследуемых притоках повышенных концентраций обнаружено не было. Кроме того, алюминий

обладает низкой миграционной способностью, что еще раз доказывает непричастность шламохранилища к загрязнению водотока алюминием.

Рассмотрев и проанализировав существующее положение в области накопления и переработки красных шламов можно сказать следующее: красный шлам - это минеральное сырье техногенного происхождения, которое может использоваться в различных видах хозяйственной деятельности: окускование руд и концентратов; комплексная переработка на чугун, глинозем и цемент, смешанные цементы, гидравлические добавки в портландцемент; использование в качестве заполнителей асфальтобетонов, дорожных покрытий; производство стекла, обожженного и силикатного кирпича, стеклошлаковых материалов и заполнителей, канализационных труб; получение красок; закладочные и литейные формовочные смеси; производство сорбентов, коагулянтов и катализаторов; выпуск удобрений.

На сегодняшний день массовое потребление красного шлама может обеспечить черная металлургия и производство строительных материалов.

Список литературы

1. Алексеев А.И. Научные основы переработки алюминийсодержащих отходов // Записки Горного института. 2016. Т.219. С.428-434. DOI 10.18454/PMI.2016.3.428.

2. ГОСТ 12536-2014 Грунты. Методы лабораторного определения зернового (гранулометрического) и микроагрегатного состава.

3. ГОСТ 31861-2012 Вода. Общие требования к отбору проб.

4. Ивлев Атомно- анализ: С.И., Соболев В.И. эмисионный методологические инструкции для выполнения исследовательской работы. Томский Политехнический Университет. - Томск: 2014. - 26 с.

5. Пасечник Л.А., Яценко А.С., Яценко С.П., Скрябнева Л.М. Селективное извлечение иттрия из шламов глиноземного производства. Журнал «Цветные металлы», 2013, №12 с.39-43. 9

6. ПНД Ф 12.4.2.1-99 «Отходы минерального происхождения. Рекомендации по отбору и подготовке проб. Общие положения».

7. Ширкина Л.А. Рентгенофлуоресцентный анализ объектов окружающей среды: учеб.пособие. - Владимир: изд-во Владим. гос. ун-та, 2009, 65 с.

8. Стойкова Е.Е., Медянцева Э.П., Евтюгин Г.А.. Гидрохимический анализ - Казань, Казанский (Приволжский) федеральный университет, 2010. - 49 с.

9. Технология URL : производства глинозема. http://media.ls.urfu.ru/201/584/1331/

10. Юшина Т.И, Петров И.М., Гришаев С.И., Черный С.А. Анализ современных технологий переработки и обогащения редкоземельного сырья. Журнал Цветная металлургия №5, 2014, с.61-63.