Экология/4. Промышленная экология

Бутюгин А.В.*, Узденников Н.Б.*, Гнеденко М.В.*,

д.т.н. Власов Г.А.**, Кирбаба В.В.**

*Донецкий национальный университет, Украина

**ПАО «Авдеевский коксохимический завод», Украина

Комплексная утилизация промышленных отходов

Отвалы промышленных отходов в промышленных регионах создают постоянную экологическую угрозу для окружающей среды и здоровья населения. Донбасс относится к промышленным регионам с большой плотностью разнообразных производств и, соответственно, имеющим большое количество отвалов промышленных отходов. Наибольшую площадь занимают отвалы шахтных пород (терриконы), отвалы отходов углеобогащения, отвалы разнообразных карьеров, отвалы зол тепловых электростанций, отвалы металлургических шлаков. Особую опасность представляют собой отвалы пород углеобогащения, отвалы зол тепловых электростанций и шахтные терриконы. Отвалы пород углеобогащения и зол тепловых электростанций отличаются своей мелкой дисперсностью, наличием тяжелых металлов и повышенной относительно фона радиоактивностью. Шахтные терриконы также отличаются повышенным радиационным фоном. Кроме того, шахтные терриконы опасны своими газовыми выбросами и пылью, которая образуется в результате выветривания породы под воздействием солнца, воды, ветра.

Основное направление утилизации пород вышеуказанных отвалов – это использование их в качестве строительных материалов. Но масштабы этого направления утилизации невелики, а угроза этих отвалов постоянна. Для уменьшения этой постоянной угрозы проводят так называемую консервацию отвалов с помощью фиторекультивации. Однако, свойства пород отвалов не позволяют проводить простейшую и дешевую рекультивацию, а требуют предварительного проведения стадии технической рекультивации, которая заключается в профилировании отвалов и покрытия их поверхности слоем плодородных почв. Все это требует большого объема почв и материалов, больших транспортных расходов, что сильно удорожает процесс рекультивации. Поэтому масштабные работы по рекультивации могут себе позволить только государства с развитой экономикой.

Изучение свойств пород отвалов привело исследователей к идее использования потенциальных плодородных свойств, которые были обнаружены практически во всех породах [1-3]. Это направление начало развиваться в СССР, но по объективным и субъективным причинам не нашло широкого распространения, хотя и было потенциально перспективно в плане снижения затрат на рекультивацию.

В Донецком национальном университете начаты исследования по использованию буроугольных гуминовых препаратов для экологических целей, в том числе и для рекультивации. Объектами исследований были породы отвалов углеобогащения, породы шахтных терриконов и породы отвалов доломитного производства. Изучение свойств этих пород выявило сильное различие изучаемых пород, а также их плодородного потенциала. Применение различных гуминовых препаратов при проведении опытов по рекультивации данных пород дало явный положительный эффект.

Анализ свойств пород и результатов предварительных опытов привел к идее компенсации недостатков плодородных и агрофизических свойств одной породы путем получения смесей пород, что позволило бы осуществить комплексную утилизацию пород с помощью фиторекультивации.

В исследовании использовали два вида пород шахтного террикона, два вида отходов доломитного производства Докучаевского флюсо-доломитного комбината (ДФДК) и породу отвала углеобогащения ПАО «Авдеевский коксохимический завод». Порода отвала углеобогащения отличается наличием мелкодисперных частиц органической (до 24%) и неорганической составляющей, что очень благоприятно для развития микроорганизмов. Кроме того, в данной породе обнаружено наличие гуминовых веществ, что повышает ее плодородный потенциал. Однако породу отвала углеобогащения отличает высокая кислотность (рН порядка 3), что сильно ингибирует процессы развития микробиоты и рост растений [4]. В предыдущей работе нейтрализацию кислотности породы углеобогащения проводили с помощью мела [5]. Вместе с тем, породы отвалов доломитного производства имеют щелочную реакцию и могут быть использованы для нейтрализации породы отвала АКХЗ. Наличие ионов кальция и магния будет способствовать уменьшению плотности [6] и улучшению развития корней растений.

Лабораторные биологические опыты проводили в течение 60 суток при комнатной температуре и круглосуточном искусственном освещении. В качестве биологического объекта использовали траву овсяницу.

В таблице 1 представлены некоторые физико-химические свойства исследуемых пород промышленных отвалов.

Таблица 1. Физико-химические свойства пород отвалов

Порода	Влажность, %	Зольность, %	рН водной вытяжки (1:10)
АКХЗ кислая	5,6-6,1	80,3	3,1-3,5
Террикона 1	1,3-3,8	89,0-92,0	5,2-5,6
Террикона 2	8,5-9,1	90,7-91,9	5,2-5,4
Доломитная меловая	0,39	94,9	8,3
Доломитная глинистая	1,86	93,9	8,6

Как видно из таблицы 1, породы сильно отличаются по влажности (потенциальной влагоемкости) и кислотности. По зольности наибольшее отличие характерно для породы отвала углеобогащения АКХЗ. Содержание в породе АКХЗ порядка 20% органических веществ, что близко к содержанию органических веществ в плодородных почвах, как раз и обеспечивают плодородный потенциал.

В таблице 2 представлены данные по изменению физико-химических свойств и содержания микро- и макроэлементов в породе отвала углеобогащения после нейтрализации мелом (отбор проб проведен через 30 дней после нейтрализации).

Таблица 2. Физико-химические свойства породы АКХЗ после нейтрализации мелом

Порода отвала АКХЗ	W, %	A^с, %	рН водной вытяжки (1:10)	Питательные элементы, мг/кг			Микро- элементы, мг/кг
				N	P	K	Mn	Zn
кислая	5,6-6,1	80,3	2,9-3,5	168	24	38	23	3,02
нейтрализ.	6,5-8,0	81,8	5,1-5,3	189	23	52	15	1,84

Видно, что порода АКХЗ имеет достаточно высокую кислотность. Это снижает ее биоактивность и повышает подвижность тяжелых металлов и их токсические свойства. После нейтрализации мелом кислой породы АКХЗ увеличились показатели влагоемкости, рН, содержание азота и калия (в породе делянок). Содержание подвижного фосфора практически не изменилось, а токсичных металлов - уменьшилось. Нейтрализация снижает подвижность тяжелых металлов. Применение мела в качестве нейтрализующего кислотность агента-мелиоранта позволяет не только уменьшить кислотность породы, но и уменьшить ее объемную плотность, стимулировать агрегатообразование (коагуляцию мелких частиц) [6]. Все это, наряду со снижением кислотности способствует заселению породы разнообразными микроорганизмами и улучшению условий развития растений. Повышение содержания азота после нейтрализации может свидетельствовать о заселении породы микроводорослями, которые присутствуют в воздухе, атмосферной воде и пыли, обычно первыми из микроорганизмов начинают осваивать бесплодные субстраты.

В таблице 3 приведены результаты лабораторных опытов по изучению плодородного потенциала смесей пород шахтного террикона, отвала обогащения и 2-х видов пород отвала доломитного производства. В смесях породы АКХЗ и террикона использовали нейтрализованную мелом породу АКХЗ. Используемые доломитные породы ДФДК имели дисперсность 0-5 мм. Одновременно изучена зольность травы и содержание некоторых микроэлементов в траве.

Таблица 3. Влияние составов смесей пород на выход зеленой массы и содержание микроэлементов в траве

Общая зеленая масса, кг/м^2	Зольность травы, %	Состав смесей пород отвалов, %				Содержание микроэлементов в растениях, мг/кг
		АКХЗ	ДФДК		терр.1	Cu	Zn	Mn
			мел	глин
0,65	15,53	100	-	-	-	6,85	3,58	96,56
0,52	13,55	95	-	-	5
0,57	10,99	75	-	-	25
0,001	-	95	5	-	-
-	-	90	10	-	-
0,43	10,34	75	25	-	-
0,80	14,91	50	50	-	-	5,42	2,71	79,79
0,75	15,08	25	75	-	-	6,37	8,49	62,19
0,76	14,01	10	90	-	-	12,03	7,92	53,76
0,63	13,48	5	95	-	-
0,72	18,50	95	-	5	-	6,37	7,49	136,81
0,72	15,66	90	-	10	-	2,99	6,15	81,97
0,73	16,59	75	-	25	-	7,16	7,99	64,98
0,68	15,08	50	-	50	-	8,66	11,09	75,93
0,62	14,70	25	-	75	-	10,50	9,30	54,00
0,72	13,70	10	-	90	-
0,57	16,69	5	-	95		7,72	17,12	83,95
0,60	12,33	-	100	-	-
0,83	13,26	-	-	100	-

Из данных таблицы 3 видно, что: 1) меловая порода ДФДК может быть использована в качестве нейтрализатора кислотности породы АКХЗ при содержании 50-95%; 2) с другой стороны добавка 5-50% породы АКХЗ к меловой породе ДФДК увеличивает плодородный потенциал последней; 3) глинистая доломитная порода ДФДК имеет изначально большую щелочность и плодородный потенциал, что позволяет использовать ее в смесях в породой АКХЗ от 5 до 95%.

В таблице 4 приведены результаты лабораторных опытов по изучению плодородного потенциала смесей пород 2-х терриконов, породы углеобогащения и меловой породы доломитного производства. В качестве биологического объекта использовали травяную смесь газонных трав «Экстремальный склон».

Таблица 4. Плодородные свойства смесей пород

Зеленая масса кг/м^2	рН водной вытяжки при т:ж=1:10	% содержание пород				Зольность травы, %
		АХКЗ	Тер. 1	Тер. 2	Мел ДФДК
1,17	4,26	95	5	-	-	15,17
1,02	4,64	90	10	-	-	15,42
1,43	4,72	75	25	-	-	15,13
0,81	5,75	25	75	-	-	9,90
0,91	5,96	10	90	-	-	10,16
0,72	6,00	5	95	-	-	8,84
1,17	4,56	95	-	5	-	12,83
1,22	4,12	90	-	10	-	12,80
1,43	5,63	75	-	25	-	11,64
1,03	6,65	50	-	50	-	11,98
0,96	6,83	25	-	75	-	12,04
0,97	6,51	10	-	90	-	13,19
0,93	5,86	5	-	95	-	12,12
1,30	6,25	75	-	-	25	13,22
0,84	6,44	50	-	-	50	14,47
0,52	6,79	25	-	-	75	14,08
0,81	7,04	10	-	-	90	12,42
1,12	7,10	5	-	-	95	8,41

Из таблицы 4 видно, что: 1) для смесей нейтрализованной породы АКХЗ и пород терриконов характерно повышение роста плодородных свойств с повышением доли пород терриконов от 5 до 25%; 2) для смеси породы АКХЗ и меловой породы ДФДК характерна кривая зависимость с минимумом 75% породы ДФДК; 3) достаточно четко видна взаимосвязь между кислотностью смеси пород и зольностью травы – чем ниже рН, тем выше зольность.

Зольность травы и содержание в ней тяжелых металлов изучали с целью возможного использования выращиваемых трав в кормовых целях. Данные таблицы 3 свидетельствуют, что содержание тяжелых металлов в траве, выращенной на смесях пород не выше фонового содержания этих металлов в растениях (соответственно, 3-10 мг/кг для меди, 30-100 мг/кг для цинка и 30-500 мг/кг для марганца) [7, 8].

Деляночные опыты на терриконе и отвале углеобогащения подтвердили правильность найденных соотношений, что показывает реальную возможность проведения фиторекультивации отвалов пород с комплексным использованием смеси исследованных пород. Выбранный путь рекультивации является более экономичным с финансовой и материальной стороны.

Полученные результаты защищены патентами Украины [9-11].

Литература:

1. Савич А.И. Агрохимические свойства вскрышных пород в отвалах Подмосковного угольного бассейна // Агрохимия. - 1969. - № 6. - С. 83–86.

2. Горбунов Н.И. Химико-минералогические признаки пригодности вскрышных пород для использования биологической рекультивации // Рекультивация в Сибири и на Урале. - Новосибирск: Наука, 1970. - С. 25–41.

3. Моторина Л.В. Опыт рекультивации нарушенных промышленностью ландшафтов в СССР и зарубежных странах (Обзорная информация) - М.: Изд-во ВНИИТЭИСХ, 1975. – 84 с.

4. Бутюгин А.В., Гнеденко М.В., Узденников Н.Б. и др. Физико-химические и биологические свойства хвостов углеобогащения // Вісник Донецького університету. Серія А. Природничі науки. –2009. - Вып. 2.– С.466-468.

5. Бутюгин А.В., Узденников Н.Б., Гнеденко М.В. и др. Рекультивация породного отвала углеобогащения Авдеевского КХЗ // Кокс и химия. – 2009. - №. 3 – С. 39 -44.

6. Пахненко Е.П. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные удобрения М.: БИНОМ, Лаб. Знаний, 2007. – 311 с.

7. Каталымов М.В. Микроэлементы и микроудобрения. – М.: Химия, 1965. - 332 с.

8. Кабанов Ф.И. Микроэлементы и растения. – М.: Просвещение, 1977. –136с.

9. Патент України № 46593, МПК С05F 11/02, А01В 79/02. Спосіб утилізації відвальної породи териконів / Бутюгін О.В., Узденніков М.Б., Гнеденко М.В. (Україна); Донецький національний університет (Україна); опубл. 25.12.09, бюл. № 24.

10. Патент на корисну модель України № 60599 МПК А01В 79/02. Спосіб рекультивації сховищ відходів вуглезбагачення / Бутюгін О.В., Узденніков М.Б., Гнеденко М.В., Зубкова Ю.М., Кірбаба В.В. (Україна); заявл. 22.11.2010 р. опубл. 25.06.2011, бюл. № 12.

11. Заява на корисну модель України № 201105195, МПК С05F 11/02, A01B 79/00. Спосіб утилізації відходів вуглезбагачення / Бутюгін О.В., Узденніков М.Б., Гнеденко М.В., Зубкова Ю.М., (Україна); Донецький національний університет (Україна); заявл. 26.04.2011, позитивне рішення від 14.09.11 р.