Технология консервации промышленных отходов

© С.П. Месяц, Е.Ю. Волкова, 2009

УДК 502.171+622'17

С.П. Месяц, Е.Ю. Волкова

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСЕРВАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

Лобыча и переработка минеральных ресурсов - безальтернативная основа существования и развития цивилизации на современном уровне и одновременно источник ее экологических проблем, так как только малая часть добываемого сырья превращается в полезную продукцию, а остальная складируется в виде отходов. Особое место среди отходов занимают отвалы отходов ру-дообогащения, в которые складируется мелкодисперсный материал. В результате ветровой и водной эрозии отвалов загрязнению подвержены территории, многократно превышающие площади земельного отвода предприятий, что оказывает существенное влияние на состояние природной среды. К проблеме значительного ущерба, наносимого природной среде, прибавляется проблема безвозвратно теряемых в результате ветровой и водной эрозии минеральных ресурсов, складируемых при некомплексной переработки руд в хвостохранилища.

В условиях интенсивного природопользования, приведшего к разрушению главного компонента ландшафта - почвенно-растительного покрова и к истощению сырьевой базы предприятия, проблемы восстановления нарушенных земель и сохранения техногенного минерального сырья, складируемого в отвалы отходов ру-дообогащения, являются весьма актуальными.

Мировой опыт показывает, что наилучшим способом прекращения эрозионных процессов на отвалах отходов рудообогащения является создание дернины. Биологическая рекультивация, в ее традиционном понимании, предполагает нанесение на минеральный субстрат плодородного слоя (землевание) с последующим посевом многолетних трав. Однако, помимо того, что затраты на рекультивацию составляют до 15 % стоимости реализации минерального сырья (в мире - 4,5 % реализации минерального сырья), изъятие плодородного слоя с других территорий переводит их в категорию нарушенных [1]. Поэтому актуальной является разработка более экологически целесообразных и экономически приемлемых способов создания дернины на минеральных субстратах.

Опыт, накопленный Горным институтом по восстановлению техно-генно нарушенных земель и изучение проблемы консервации промышленных отходов определили дифференцированный подход к ее решению:

- создание полимерного покрытия для закрепления пылящих поверхностей хвостохранилищ, находящихся в эксплуатации;

- создание дернины без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием для прекращения ветровой и водной эрозии отработанных хвостохранилищ, а также от-

косов и берм ограждающих дамб действующих хвостохранилищ.

Технология создания дернины на техногенных субстратах посевом многолетних трав без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием основана на концепции естественного почвообразования, в соответствии с которой почва является продуктом взаимодействия материнской породы, биоты, климата, рельефа и времени [2].

Так как хвостохранилища занимают большие площади, создание дернины на отвалах отходов обогащения без нанесения плодородного слоя является наиболее экологически целесообразным и экономически приемлемым решением.

Определяющим фактором для создания дернины без нанесения плодородного слоя на отвалах отходов ру-дообогащения является биопродуктивность сеяного фитоценоза [3]. Растительные остатки, обеспечивая поступление органического материала в субстрат, при разложении пополняют запасы минерального питания растений, определяют реакцию среды и биохимическую активность, ответственную за формирование органического вещества, а также интенсивность всех обменных процессов. Эво-люционно закрепленное свойство растений, повторяемое каждым новым поколением - избирательно поглощать химические элементы в определенном количестве, а также способность минерального субстрата, на котором произрастает растительность, задерживать их при разложении растительных остатков - начальный и конечный пункты биогенной аккумуляции, приводящей в процессе биологической организации субстрата к образованию специфического органического вещества - гумуса, который депонирует основные элементы пита-

ния растений при разложении растительных остатков. При минерализации гумуса элементы питания из труднодоступных форм превращаются в легкодоступные и используются растениями. В результате осуществляется биогеохимический круговорот элементов, являющийся главным механизмом самоорганизации природных ландшафтов [4].

Таким образом, чем больше в системе представлен биокомпонент, тем энергичнее происходят процессы разложения поступающих растительных остатков, многообразнее связи, определяющие интенсивность процессов биологической организации субстрата.

Успешность создания дернины на минеральных субстратах без нанесения плодородного слоя в соответствии с эволюционно сложившейся программой образования почв обеспечивается созданием полимерного покрытия, которое решает комплекс задач по улучшению экологического состояния субстрата и обеспечению стабильно высокой продуктивности травостоя: прекращает ветровую и водную эрозии, улучшает гидротермический режим и физико-механические свойства субстрата, повышает биохимическую активность субстрата, защищает от техногенных загрязнений [5].

Полимерное покрытие, образующееся при обработке поверхности техногенного минерального субстрата водной полимерной эмульсией, является сложной полидисперсной системой. В состав этой системы входят минеральная, полимерная, водная и газовая подсистемы. Минеральная подсистема является трехмерным каркасом покрытия, обеспечивающим его механическую прочность к сжатию. Полимерная (условно) однофазная подсистема представлена пленочными покрытиями минеральных частиц и межчастичными

полимерными мостиками и связывает минеральные частицы между собой, обуславливая прочность покрытия к разрыву. Водная подсистема, состоящая из капиллярной влаги и гигроскопической воды, образует единую транспортную систему в покрытии, связанную с водной системой субстрата. Газовая подсистема характеризуется составом переходным между составом атмосферного воздуха и газовой фазы субстрата. Минеральная и полимерная подсистемы выполняют в покрытии структурообразующую функцию. Газовая и водная среды в значительной степени определяют теплофизические характеристики покрытия.

Особенности свойств и структуры подсистем определяют основные эксплуатационные характеристики полимерного покрытия, созданного на техногенном минеральном субстрате: противоэрозионную стойкость, воздухопроницаемость, водопроницаемость, устойчивость к воздействию атмосферных осадков, устойчивость к

Таблица 1

Усредненные расчетные значения газопроницаемости полимерной пленки

Газопроницаемость Рх1013, см2 с-1 Па-1

о2 СО2 Н2О N2 Н2

СП 4 26,6 106,7 1,4 14,2

Рис. 1. Порограмма полимерной пленки

температурным воздействиям, радиационную стойкость, механическую прочность, способность локализовать загрязнения, предотвращая их распространение в корнеоби-таемом слое.

Характеристики полимерного покрытия обусловлены, прежде всего, диффузионными и адсорбционными свойствами полимера, которые определяются структурой полимерной пленки. Полимерная пленка обладает развитой системой мезопор в широком диапазоне радиусов (от 7 до 100 нм), при этом пористость достигает 10% (рис. 1).

Наличие свободного объема пористой структуры обуславливает высокие транспирационные свойства полимерного покрытия в отношении газов. В табл. 1 приведена газопроницаемость полимерной пленки, рассчитанная в соответствии с полуэмпирическими методами пермахора и теории перколации в приближении эффективной среды [6].

Установлено, что пленки обладают избирательной проницаемостью, то есть при одинаковых парциальных давлениях исследованных газов преимущественно происходит миграция паров воды и диоксида углерода, водород и кислород имеют среднюю проницаемость.

Высокие значения проницаемости паров воды могут быть связаны с особенностями заполнения порового пространства пленки. Установлено, что влагоем-кость полимера составля-

контроль (без покрытия) под полимерным покрытием

ет порядка 10%, что с учетом близости плотности воды и полимера хорошо совпадает с переделенным значением пористости. Таким образом, поровое пространство полимерной пленки заполнено капиллярной водой, и перенос газов происходит через водный раствор.

Определение водопроницаемости субстрата с созданным на нем полимерным покрытием и без покрытия на хвостохранилище в полевых условиях показало, что водопроницаемость субстрата через 10 дней после образования покрытия при гидравлическом напоре 10 см ниже, чем на контроле (субстрат без покрытия), но по абсолютным значениям (247 мм в первый час) попадает в интервал наилучшей водопроницаемости (500-100 мм в первый час впитывания) по шкале H.A. Качинского [7].

Мелкокапельное нанесение водной полимерной эмульсии на поверхность отвалов отходов обеспечивает равномерность смачивания минеральных частиц с образованием многофазной полидисперсной системы. С испарением дисперсионной среды (воды) происходит ряд переходов золь-гель и

Рис. 2. Скорость капиллярного подъема воды в минеральном субстрате под полимерным покрытием и без него

самопроизвольное уплотнение геля до образования сплошного покрытия. Уплотнение верхнего слоя субстрата за счет связывания минеральных частиц полимерной пленкой приводит к уменьшению пористости поверхности субстрата, а, следовательно, к снижению испарения с поверхностного слоя, в результате чего сохраняется продуктивная влага, что важно для формирования растительного покрова высокой биологической продуктивности.

Изучение влияния полимерного покрытия на скорость капиллярного подъема воды показало, что полимерное покрытие обеспечивает увеличение содержания влаги в субстрате, повышая скорость капиллярного подъема воды (рис. 2).

Установлено, что полимерное покрытие приводит к увеличению энтальпии техногенного субстрата по сравнению с контролем при одинаковых метеорологических условиях. Увеличение энтальпии субстрата является дополнительным источником энергии для повышения биопродуктивности (потенциальное увеличение биопродуктивности до 70%) при создании дернины на техногенном минеральном субстрате без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием. Капиллярно-сорбционный потенциал влаги под покрытием не опускается ниже величины (-100 мбар) и не лимитирует водный поток в корни растений.

Другими словами, полимерное покрытие обеспечивает благоприятный гидротермический режим для формирования дернины на техногенном субстрате за счет лучшего прогрева-

ния техногенного субстрата и лучшей обеспеченности влагой.

Проведенные лабораторные и полевые исследования показали, что полимерное покрытие характеризуется высокой противоэрозионной стойкостью во времени, хорошей воздухо- и водопроницаемостью, устойчивостью к атмосферным осадкам и температурным колебаниям, экологической чистотой, способностью с течением времени к биоразложению, локализует загрязнения, предотвращая их распространение в сопредельные среды и по трофическим цепям. Улучшение экологического фона субстрата за счет повышения водоудерживающей способности, уменьшения амплитуды колебаний суточных температур, снижения техногенной нагрузки обеспечивает повышение биохимической активности субстрата и, как следствие, стабильно высокую биопродуктивность сеяного фитоценоза и его воспроизводство.

Изучение состояния сеяных фито-ценозов проводится на хвостохрани-лищах предприятий Кольского ГПК (ОАО «Апатит», ОАО «Олкон», ОАО «Ковдорский ГОК», ЗАО «Ловозер-ская ГОК») в соответствии с разработанной системой мониторинга, предусматривающей комплексное и одновременное изучение генетических параметров (химический, гранулометрический, минералогический составы, водно-физические свойства) и функциональных показателей (рН среды, окислительно-восстановительный потенциал, содержание подвижных форм химических элементов) субстрата при его биологической организации.

При достаточно представительном наборе контролируемых параметров мониторинг систематизирован в рамках:

- постоянного (ежегодно осуществляется морфологический анализ и

фенологическое описание созданного травостоя, определяется биопродуктивность сеяного фитоценоза, контролируются водно-физические характеристики субстрата);

- систематического (начиная со 2-го года через 2 года контролируются обеспеченность питательными веществами и формирование запасов органического вещества);

- долгосрочного (1 раз в 5-6 лет контролируются более консервативные показатели трансформации гранулометрического и минералогического составов).

Полимерное покрытие, создаваемое нанесением водных полимерных эмульсий на поверхности субстрата после посева, сразу же прекращает ветровую и водную эрозии (рис. 3). По результатам мониторинга установлено, что уже на начальном этапе существования сеяного фитоценоза наблюдается аккумуляция органического вещества в субстрате в результате поступления в первый год большого количества растительных остатков покровной культуры (рис. 4). Таким образом, нарушенные земли уже с первого года вовлекаются в биогеохимический круговорот элементов.

Как показали результаты многолетнего мониторинга при создании дернины без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием на отвалах отходов рудообогащения ОАО «Апатит», выбранного в качестве тестового объекта, где систематические наблюдения ведутся более 27 лет, прекращение эрозионных процессов, улучшение гидротермического режима субстрата, стабильно высокая продуктивность травостоя, и, как следствие, высокая биохимическая активность субстрата обеспечивают быстрое в условиях Севера накопление органического вещества в минеральном субстрате (рис. 5).

Рис. 3. Создание полимерного покрытия прекратило ветровую эрозию

Рис. 4. Общий вид хвостохранилиша ОАО «Ковдорский ГОК». 1-й год создания сеяного фитоценоза

Рис. 5. Результаты многолетнего мониторинга биологической организации минерального субстрата при создании дернины без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием на хвостохранилише ОАО «Апатит»

1*3 5 7 9 11 13 13 17 19 21 24

1 * высок;!» К"1 Л14]ПК [I. тр;|цисЩИ 1-1« Iо, 1.1

ткчт'н1 н:| ткчипм I рлн г шжрнниим! к\. [ЬП рой

* гумус определялся пи содержанию пр1 аннчсскчл и углерода ц с. юс 0-20 см_

Средняя многолетняя продуктивность травостоя составила ~ 12 т/га, включение в травосмесь однолетней покровной культуры уже в первый год обеспечило поступление в субстрат большого количества растительных остатков (20 т/га). Флуктуация биопродуктивности в ходе мониторинга связана с метеоусловиями вегетационных периодов (рисунок 5).

Наиболее быстрое накопление органического вещества (гумуса) отмечается в первые десять лет существования сеяного фитоценоза. Выполажи-вание кривой накопления гумуса в последующие годы свидетельствует о достижении образующейся на техногенном субстрате почвенной системы некоторой стабильности (рис. 5).

Функционирование сеяного фитоценоза в первые два десятилетия, как

показали результаты мониторинга при создании дернины на отвалах отходов рудообогащения ОАО «Апатит», характеризуется высокой биопродуктивностью, биохимической активностью, быстрым накопление гумуса и устойчивым видовым разнообразием (рис. 5, 6).

Образующиеся на техногенном минеральном субстрате почвы уже в первое десятилетие выполняют главные экосистемные функции: синтез и разложение органического вещества, депонирование элементов-биогенов в гумусе и т.д.

Длительное время существования сеяного фитоценоза при 100%-ной полноте проективного покрытия травостоя и его высокой продуктивности свидетельствует об обеспеченности растений элементами питания, а след-

ствием своевременного прохождения всех фенофаз роста и развития растений, включая репродуктивную фазу, является воспроизводство растительных сообществ.

Третье десятилетие существования сеяного фитоценоза характеризуется подселением местных видов, в том числе деревьев и кустарников.

Сформированные на засеянных отвалах биогеохимические потоки постепенно «срастаются» с естественными биогеохимическими потоками. Подселение древесных видов (> 3000 единиц на гектар) в сеяный фитоценоз

Рис. 6. Внешний вид откоса ограж-даюшей дамбы хвостохранилиша ОАО «Апатит»: а - до создания сеяного фитоценоза; б - 1 год существования сеяного фитоценоза; в - 10 год существования сеяного фитоценоза

- последовательный этап восстановительной сукцессии, конечной целью которой является формирование растительных сообществ со структурой, соответствующей окружающему природному ландшафту (рис. 7).

Таким образом, на первом этапе создается сеяный фитоценоз и адекватные ему почва и микрофлора. Территория, занимаемая промышленными отходами, уже с первого года вовлекается в биогеохимический круговорот элементов, который является главным механизмом самоорганизации природных ландшафтов. Наблюдается устойчивое воспроизводство образовавшейся экосистемы.

Второй этап характеризуется формированием фитоценоза со структурой, соответствующей окружающему природному ландшафту, который приходит на смену сеяному фитоценозу в результате подселения видов местной флоры.

Исследование состояния дернины, созданной на отвалах отходов обогащения различных предприятий Кольского ГПК, показало, что, несмотря на различия климатических условий, минералогического состава субстратов и уровня техногенной нагрузки, основные тенденции образования дернины без нанесения плодородного слоя посевом многолетних трав под полимерным покрытием идентичны.

В результате создания полимерного покрытия образуется травостой, характеризующийся быстрым ростом и стабильно высокой продуктивностью, своевременным прохождением

всех фенофаз роста и развития растений, включая репродуктивную в условиях короткого вегетационного периода, ежегодным самовозобновлением растительного покрова при отсутствии ухода.

Образующаяся на техногенном субстрате дернина является лучшим средством прекращения ветровой и водной эрозии, обеспечивающим

Рис. 7. Внешний вид откоса ограждающей дамбы АНОФ 2 ОАО «Апатит»:

г - 20 год существования сеяного фитоценоза; д, е - третье десятилетие существования сеяного фитоценоза; массовое подселение видов местной флоры

улучшение состояние природной среды, сохранение минерального сырья, повышение безопасности эксплуатации хвостохранилища, улучшение условий труда работников предприятия.

Так как хвостохранилища занимают большие площади, создание дернины в соответствии с эволюционно сложившейся программой образования почв на отвалах отходов обогащения без нанесения плодородного слоя под полимерным покрытием является наиболее экологически целесообразным и экономически приемлемыми решением консервации хво-стохранилищ, обеспечивает восстановление экологической емкости ландшафта, восстановление экоси-стемных функций территории. Кроме того, создание дернины решает проблему сохранения техногенных месторождений и обеспечивает возможность их освоения в будущем.

Предлагаемая технология консервации промышленных отходов созданием почвенно-растительного покрова (дернины) без нанесения плодородного слоя является:

- универсальной (эффективна на различных субстратах, в разных климатических зонах, на любом рельефе, без предварительного укрепления);

- технологичной (обеспечивает быструю реализацию технологии с использованием серийно выпускаемой техники);

- высокопроизводительной (обеспечивает закрепление больших площадей в короткие сроки);

- экономически выгодной (исключает дорогостоящие и трудоемкие операции по нанесению плодородного слоя при создании растительного покрова на отработанных хвостохрани-лищах, а также откосах и бермах ограждающих дамб действующих хвосто-хранилищ, не требует ежегодной обработки ранее закрепленных площадей и ухода за сеяным фитоценозом);

- технически надежной (необратимость достижений заданных ха-

рактеристик на весь период эксплуатации);

- экологически целесообразной (разработанная технология создания дернины на отвалах отходов рудообогаще-ния отвечает эволюционно сложившейся программе формирования почв на минеральных субстратах, обеспечивает восстановление экологических функций территории; используемые материалы с течением времени подвергаются биодеструкции).

1. Counting the cost of environmental management // Mining jornal. - 1994. - 322. № 8272. - p.287.

2. Месяц С.П., Мельников H. H. Концепция и опыт восстановления нарушенных земель горного комплекса в условиях антропогенной нагрузки. // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопро-мышленных агломераций: Материалы Международного симпозиума SMR-95, г. Пермь, 15-21 сентября 1995 г. - Екатеринбург, 1997. - С.383-394.

3. Месяц С.П., Едигарева Ë.H. Оптимизация продукционного процесса при восстановлении нарушенных земель в условиях Заполярья. // Город в Заполярье и окружающая среда: Труды III международной

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

конференции, г. Воркута, 2-6 сентября 2003 г. - Сыктывкар, 2003. - С.205-213.

4. Карпачевский Л.О. Экологическое почвоведение. М.: Изд-во МГУ, 1993. -184 с.

5. Месяц С. П. Восстановление поч-венно-экологических функций территории -концептуальная модель адаптивных технологий восстановления нарушенных земель // Экология антропогена и современности: природа и человек: Сборник научных докладов, представленных на международную конференцию, - Волгоград-Астрахань, 2427 сентября 2004 г. - СПб.: «Гуманистика», 2004. - С.398-408.

6. Ferdinand A., Springer Y. Colloid Polym. Sci., 1989, v267, №2, р.1057

7. Качинский H. A. Физика почв. - М.: ВШ, 1965, 323с. S2H

— Коротко об авторах-

Месяц С.П. - старший научный сотрудник, Учреждение российской академии наук Горный институт Кольского научного центра РАН,

Волкова Е.Ю. - технолог 1 категории, Учреждение российской академии наук Горный институт Кольского научного центра РАН.

Рецензент д-р техн. наук Ю.А. Епимахов, Горный институт КНЦ РАН.