УДК 574, 504.55, 75, 501.75

Промышленная экология, Энергетика.

 

д.т.н., профессор Касимов А.М.,.

ГП «УкрНТЦ «Энергосталь», Украина. г. Харьков.

 

Миграция тяжелых и редких металлов в почвах вокруг золошлаковых отвалов ряда угольных ТЭС Украины.

 

Рассмотрены основные свойства золошлаковых отходов ТЭС и пути миграции соединений тяжелых и редких металлов в почвах в районах их размещения.

Ключевые слова: золошлаки ТЭС, миграция элементов в почвах, тяжелые и редкие металлы.

Энергетика Украины включает твердотопливные тепловые электростанции (ТЭС) различной мощности. К настоящему времени в отвалах ТЭС Украины накоплено ≈360 млн т золошлаковых отходов (ЗШО) на площади более 3170 га. Среднегодовой выход золошлаков достиг ≈14 млн т. и имеет тенденцию к росту. Это создает технологические и экологические проблемы, вследствие увеличения производственных затрат и стоимости природоохранных мероприятий [1,2,4].

Например, Зуевская ТЭС складирует в собственном золоотвале более 800 тыс. т/год ЗШО и выделяет в атмосферу около 300 т/сут. пыли. Особенности золошлакоотвалов заключаются в том, что они расположены в промышленно развитых районах, находятся на поверхности, породная масса в них дезинтегрирована, в ней присутствует значительное количество минералов - более 30000 (в обычных месторождениях ~ 3000). Среди примесей особое внимание привлекают тяжелые и редкие металлы, в т.ч. Zn, Cr, Со, Cd, Pb, Ni (ТРМ).

Последняя особенность определяет сложность защиты почвы от их вредного влияния и технологий переработки, вследствие многообразия минеральных форм токсикантов, требуются более сложные чем для обычных руд технологии, основанные на последних достижениях науки и техники.

Состав и строение золошлаковых отвалов определяются рядом факторов, важнейшими среди которых являются: условия образования (добыча и обогащение угля, сжигание угля и т.д.); состав исходного сырья месторождения; физико-химические процессы климатического воздействия на отвалы [1-4].

Золошлакоотвалы интенсивно окисляются, выщелачиваются и разрушаются, что приводит к изменению минералогического и вещественного состава техногенных отложений, выносу ТРМ и образованию ореолов их рассеяния вокруг отвалов. В приповерхностной зоне техногенных отложений под воздействием кислорода, осадков, фильтрационных полей и др. факторов происходят интенсивное растворение и миграция ионов ТРМ. При этом могут образовываться обедненные и обогащенные металлами участки с восстановленными и окисленными формами их нахождения.

Главными видами воздействия объектов промышленной энергетики на окружающую природную среду (ОПС) являются поступление в атмосферу, водный бассейн, грунтовые воды и на земную поверхность токсичных компонентов сырья, полупродуктов, собственных отвалов и деятельности вспомогательных производств.

Основными источниками воздействия предприятия на ОПС являются организованные и неорганизованные пылегазовые выбросы, сбросы сточных вод и поверхностных стоков с территории шламонакопителей, шлакоотвалов.

Индикаторы загрязнения ОПС - химические соединения, отвечающие составу сырья, полупродуктов, и собственных промышленных отходов (ПО) с учетом фона в районе размещения данного предприятия.

Объекты ущерба - атмосфера, земельные площади, водоемы в пределах рассеяния индикаторов загрязнения, антропогенные объекты, ландшафты. В общем случае определяют потенциальный, предотвращаемый, компенсируемый, ликвидируемый и остаточный виды ущерба.

На рис. 1 приведены схема и факторы  влияния накопителя ЗШО на окружающую природную среду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1. Факторы воздействия накопителя золошлаков на окружающую природную среду.

 

Одной из важных проблем исследования золошлаковых отвалов ТЭС является изучение их состава и путей миграции в почве микропримесей, представляющих собой, в основном, растворимые соединения ТРМ.

Одной из характерных особенностей почв и грунтов является их способность поглощать вещества из поступающего в них раствора. Различают механическую, физическую, физико-химическую и химическую поглотительную способности почв (ПСП). Механическая ПСП связана с пористостью грунта и выражается в его способности задерживать частицы, содержащиеся в подземных водах. Физическая ПСП обусловлена адсорбцией на поверхности грунтовых частиц молекул, поглощенных их раствора. Физико-химическая ПСП связана со свойством обменивать катионы Сa2+, Mg2+, Na+ на катионы растворенных веществ. Химическая ПСП грунтов выражается в поглощении растворимых веществ из раствора с образованием в грунтах нерастворимых или малорастворимых солей,

К кислым относят почвы, имеющие рН=4,5-5,8. В кислой среде соединения Cd, Co, Mn, Ni, Cr, Zn находятся в растворимой форме, при этом  в растворе присутствуют ионы Mez+ или частицы типа [Mе(ОН)(z–1)+], в щелочной области – [Mе(ОН)nz-n], при этом в растворенном виде находятся соединения Cr и Cd. Повышение значений рН способствует фиксации Cd, Co, Fe(II), Fe(III), Mn, Ni. [1-4].

Особо опасно явление даже эпизодического возгорания углепородных отвалов, приводящее к появлению в их объеме слабых растворов H2SО4 и др. кислот. Даже в потухших отвалах эти соединения сохраняются длительное время.

Тип реакций

Температура (расчетная) процесса, °С

2FeS2 + 7,5О2 + H2О = Fe2(SО4)3 + H2SО4(при участии тионовых бактерий)

0-50

S + 1,5О2 + H2О = H2SО4

0 – 100

4FeS2 + 3О2 + 6H2О = 4Fe(OH)3 + 8S

0 – 105

Fe S2 + 3О2  = FeSО4 + SО2 ↑

25 – 300

Fe S2 + 4 H2SО4 + О2  = FeSО4  + 5SО2  + 4H2О

150 - 336

Fe S2 + О2 = FeSО4  + H2S↑ + SО2 ↑

150 – 336

S + H2 = H2S↑ ; S2 + 2H2 = 2H2S↑

150 - 200

S + 2H2SО4  = 3SО2 ↑+ 2H2О

200 – 336

S2 + 2О2 = 2SО2 ↑

248 – 261

2H2S + 3О2  = 2SО2 ↑ + 2H2О

250 – 300

2SО2 +  H2О + О2 = 2H2SО4 (в водной среде)

20-90

H2SО4 = H2O + SO3

200 – 336

С + О2 = CО2 ↑;  2С + О2 = 2СО↑

более 600

NH3 + CO = HCN + H2О; NH3 + C = HCN + H2

400 – 500

В [3] подтверждается очень высокая растворимости FeS при рН≤7,5 и достаточно высокая растворимость сульфидов Zn, Pb и Cd при рН≤3. При более высоких значениях рН среды указанные сульфиды практически не растворяются. На рис. 2-5. приведены данные о концентрациях ТРМ в почвах в районах размещения обследованных нами золошлаковых отвалов ТЭС в Донецкой области.

 

 


 

Рис. 2. Поступление соединений ТРМ из тела отвала ЗШО  №1 в почву  при рН=6,5. 1 – ПДК металла; 2 – концентрация металла в почве на нижней границе отвала; 3 – то же на расстоянии 30 м от  нижней границы отвала; 4 – то же в теле отвала.

 


 

Рис. 3. Поступление соединений ТРМ из отвала  ЗШО №2 в почву при рН=6,5. 1 – ПДК металла; 2 – концентрация металла в почве на нижней границе отвала; 3 – то же на расстоянии 30 м от  нижней границы отвала; 4 – то же в теле отвала.

 


 

Рис. 4. Поступление соединений ТРМ из тела отвала ЗШО №3 в почву с при рН=6,5. 1 – ПДК металла; 2 – концентрация металла в почве на нижней границе отвала; 3 – то же на расстоянии 30 м от  нижней границы отвала; 

4 – то же в теле отвала.

 


     

 


           

Рис. 5. Содержание ТРМ в почве возле золошлаковых отвалов в Донецкой обл.

Вывод. Утилизация породных отвалов в Донбассе и других регионах Украины обеспечит высвобождение городских земель и улучшение состояния окружающей природной среды; получение дефицитной и дорогостоящей продукции, включая материалы стратегического импорта Украины; производство строительных материалов для дорожных и тротуарных покрытий.

 

Литература.

1. Касимов А.М. Отходы горно-металлургического комплекса – потенциальная сырьевая база развития производства редких и тяжелых металлов. Восточно-Европейский журнал передовых технологий, №4/2(16), 2005. - С. 147-150.

2. Касимов, А.М.Управление опасными промышленными отходами. Современные проблемы и решения: моногра-фия. / А.М. Касимов, Л.Л. Товажнянский, В.И. Тошинский, Д.В. Сталинский / Под ред. А.М. Касимова. - Харьков: Изд. Дом НТУ «ХПИ», 2009. – 512 с.

3. Крайнюк Е.В. Строительство автомобильных дорог при безопасном использовании фосфогипса и золошлаков ТЭС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. технич. наук. - Харьков: ХАДУ, 2004. - 21 с.

4. Семиноженко В.П., Сталинский Д.В., Касимов А.М. Промышленные отходы: проблемы и решения. Монография. - Харьков: Издательство «Индустрия», - 2011. - 544 с.

 

Basic properties of Coal-fired thermal power station of Ukraine wastes and ways of migration of heavy nonferrous metal compounds in soil in the region of their placing are considered.

 

Keywords: Coal-fired thermal power station, wastes, migration of heavy nonferrous metal compounds, soil