Экологические проблемы утилизации золы от сжигания древесных шпал

Лузганова Д.Е., Устинова М.В.

Ежегодно в ОАО РЖД выводится из производственного использования около 5,5 миллионов штук шпал, непригодных к повторной укладке в путь. С целью их утилизации в настоящее время действует производство по сжиганию, в результате чего образуется зола, являющаяся потенциально опасной для окружающей среды.

Свойства золы устанавливали по результатам химического, минерального, микрозондового состава, дисперсности и основности. Химический состав в золе определяли рентгенофлюоресцентным методом.

Таблица 1. - Показатели опасности основных компонентов золы

Компонент отхода	Концентрация компонента отхода, Сi, мг/кг	Относительный параметр опасности компонента отхода, Хi	Коэффициент степени опасности компонента отхода, Wi, мг/кг	Показатель степени опасности компонента отхода, Ki
SiO2	720000	4	10^6	0,72
Al2O3	67000	4	10^6	0,067
CaO	68300	4	10^6	0,068
MgO	27000	4	10^6	0,027
Na2O	2500	4	10^6	0,0025
K2O	16000	4	10^6	0,016
P2O5	600	4	10^6	0,001
SO4^2-	1100	4	10^6	0,001
V	900	2,7	501,19	1,796
Co	225	2,7	501,9	0,448
Sn	7863,5	2,9	598,4	13,14
Ni	53,3	2,08	128,8	0,414
Cu	326,96	2,17	358,9	0,911
Mn	779,77	2,3	537,0	1,452
As	15,125	1,82	55,0	0,275
W	48,22	2,4	598,4	0,9
Mo	95,82	2,3	536,1	0,18
Fe	63837,2	3,1	6310	10,1
Показатель опасности золы				30,52

Установлен состав золы от сжигания шпал, масс. %: кремния диоксид – 72,0; алюминия окись – 6,7; магния окись – 2,7; кальция окись – 6,83; окись натрия – 0,25; сульфаты – 1,1; окись калия – 1,6; пятиокись фосфора – 0,6; окись ванадия – 0,9. Концентрация тяжелых металлов составила соответственно, ppm: Аs – 15,125; Ni – 53.29; Си – 326,9; Sn – 7863,5; Fе – 63837,5; Со – 225,0; Мn – 779,77; W – 48,221; Мо – 95,821, в долевом виде это 7,32%.

По данным химического состава рассчитывали класс опасности золы для окружающей природной среды [2] и здоровья человека [3]. В табл. 1 приведены показатели опасности отхода для окружающей среды. Так как общий показатель степени опасности золы меньше 100, то она относится согласно [2] к IV классу опасности. В табл. 2 приведены показатели опасности компонентов золы для здоровья человека.

Состав золы от сжигания шпал изучали с помощью растровой электронной микроскопией с микрозондовой приставкой в отделе минералогии ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского (ФГУП «ВИМС»), на приборе Tecnai-12 Филипс (Голландия), с увеличением 500 тыс., разрешением 1,2 Å, микрозондовой приставкой и микродифракцией. Анализ показал, что зола представляет собой сплав в основе, которого лежит α-железо с объемно центрированной решеткой и параметром элементарной ячейки а=3,59Å (рис. 1 а). Все остальные элементы изоморфно входят в этот сплав. Крупная частичка золы располагается на поверхности более мелкой частицы (показана стрелкой). Ее микродифракция отвечает кальциту. На основании микродифракционной картины можно утверждать, что частица относится к кальциту и одновременно здесь отмечено присутствие альфа-железа (рис. 1б и 1в).

Таблица 2. – Показатели опасности составляющих компонентов золы

Компонент отхода	Концентрация компонента золы, Сi, мг/кг	Относительный параметр опасности компонента золы, Хi	Коэффициент степени опасности компонента золы, Wi, мг/кг	Показатель опасности компонента отхода, Ki
SiO2	720000	4	3981,02	180,86
Al2O3	67000	4	3981,02	16,83
CaO	68300	4	3981,02	17,16
MgO	27000	4	3981,02	6,78
Na2O	2500	4	3981,02	0,63
K2O	16000	4	3981,02	4,02
P2O5	600	4	3981,02	0,15
SO4^2-	1100	4	3981,02	0,28
V	900	2,7	501,19	1,80
Co	225	2,7	40,1	5,63
Sn	53,3	2,08	10,0	5,33
Ni	326,96	2,17	30,0	10,90
Cu	7863,5	2,9	54,4	144,55
Mn	779,77	2,3	20,0	38,99
As	15,125	1,82	5,0	3,03
W	48,22	2,2	25,0	1,93
Mo	95,82	2,4	35,0	2,74
Fe	63837,2	2,5	137,0	465,97
Показатель опасности золы				907,56

Анализ других частичек золы установил, что зола от сжигания шпал представляет агрегат частиц из сплава железа и меди в виде кубиков, перемежающихся чешуйчатыми обособлениями слоистого алюмосиликата, в которые входят каолинит, монтмориллонит и гидрослюда. Отмечено присутствие зерен кварца, кальцита и других минералов не несущих основную нагрузку в золе по содержанию микро минеральных фаз. В основном размер частиц соответствует 30-40 мкм. На рис. 2 приведена рентгенограмма золы, на основании которого определено, что в его состав входит кварц, плагиоклаз, гематит и минерал со структурой шпинели.

Рис. 1– (а). Рентгеновский характеристический спектр и количественное соотношение элементов в выбранной точке; (б). Микродифракционная картина α – железа; (в). Микродифракционная картина кальцита

Интенсивность, имп/с

длина волны, А

Рис. 2. – Рентгенограмма золы

Токсичность, а следовательно экологическую опасность золы при различном её содержании в субстрате (почве) определяли в лабораторных условиях методом биотестирования в соответствии с общепринятой методикой [4-6]. В качестве тест-культуры была выбрана пшеница. В минисосуды (до 0,5 кг) засыпали смесь песка и золы. Проращивание проводили в установке с частично контролируемыми параметрами (температура, свет).

Через 3 дня после начала опыта определяли энергию прорастания:

, (1)

где Э_п – энергия прорастания, %; К_вз – количество взошедших семян, шт.

К – количество семян в варианте, шт.

Через 7 дней в каждом сосуде срезали и подсчитывали все нормально развитые побеги и взвешивали с точностью ±0,1 мг. Для полученных средних значений определяли погрешность S: , (2)

где α – отклонение каждого значения от среднего,

n – количество повторений в данном варианте.

Проявление токсичности считали, если установлено снижение степени прорастания семян пшеницы на 20% относительно контрольного опыта.

Энергия прорастания не является надежным экологическим показателем, т.к. этот показатель используется для проверки качества семян. Результаты теста свидетельствуют о том, что энергия прорастания не зависела от содержания золы в субстрате и находилась на уровне 92%.

Увеличение содержания золы положительно повлияло на рост растений, при содержании до 15% золы прибавка достигает 24% по отношению к контролю. Дальнейшее увеличение содержания золы в субстрате оказало отрицательное действие на растения, вследствие чего высота уменьшилась и при содержании 50% золы, показатель снижается на 4%.

Аналогичная закономерность выявлена в отношении накопления массы растений. Она увеличивается при содержании золы в субстрате до 15%, после чего происходит ее снижение (табл. 3, рис. 3).

Таблица 3 – Влияние содержания золы в субстрате на прорастание пшеницы

№ п/п	Содержание золы в субстрате, %	Высота проростков, мм	Масса проростков, мг
1	0	110,95±1,9	2200±21,2
2	2	126,565±3,8	2335±64,6
3	5	133,67±5	2567,5±64,8
4	10	136,56±5,2	2666,6±130,9
5	15	142,73±2,16	2645±35,7
6	20	113,95±1,85	2305±45,55
7	30	98,04±3,5	2553,3±84,5
8	50	105,13±3,9	2192,5±54,37

Достоверное увеличение высоты и массы проростков может быть обусловлено поступлением в среду питательных элементов, таких как калий, кальций, кремний, содержащихся в золе, а также микроэлементов. Снижение показателей при содержании золы более 15% можно объяснить поступлением тяжелых металлов (скорее всего железа, никеля, мышьяка и меди) при выщелачивании, а также изменением кислотности среды.

Рис. 3 – Зависимость накопления массы проростков пшеницы от

содержания золы в субстрате

Таким образом, при определенных концентрациях зола не токсична для роста и развития растений, и даже стимулирует ростовые процессы. Расчетно-экспериментальным методом установлено, что она относиться к 3 классу опасности для здоровья человека и к 4 классу по отношению к окружающей среде. На основе рентгеновских спектров выявлено, что зола представляет собой многокомпонентный агрегат частиц из сплава железа и меди в виде кубиков, чередующихся чешуйчатыми обособлениями слоистых алюмосиликатов – каолинита, монтмориллонита и гидрослюды, с включением зерен кварца и кальцита.

Список используемой литературы

1. Суллейменов С.Т., Борисенко М. И., Т и др. Активизированное цементно-зольное вяжущее и бетон на его основе// Силикатные строительные материалы. Сб. трудов. – НИИстромпроект, Алма-Ата, 1990. – 5-14с.

2. Критерии отнесения отходов к классу опасности, утвержденные приказом МПР России от 15 июня 2001 г. №511

3. Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов производства и потребления СП 2.1.7.1386-03.

4. Бурак В.Е., Вишневская В.В., Федоренко Е.А. Экологическая оценка портландцемента и сырья для его производства методом биотестирования//Научно – технический журнал. – №2. – Т.8. – Санкт-Петербург, МАНЭБ, 2003. – с. 51-54

5. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: (С основами статистической обработки результатов исследований). – Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Колос, 1979. – 416 с.

6. Журбицкий З.И. Теория и практика проведения вегетационных опытов. – М.: Наука, 1968. – 266 с.