География и геология/6. Природопользование и
экологический мониторинг
К.т.н. Россинский Н.П.
Южно-Российский университет
экономики и сервиса, г. Шахты, Россия
Аспирант Россинский В.Н.
Украинский национальный
университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина
Эколого-социо-экономический
мониторинг о влиянии подземных вод
ликвидируемых шахт Ростовской области
на эколого-социо-экономическую и
промышленную безопасность
Начиная с 1996 года, в
Ростовской области были ликвидированы многие угольные шахты путём их
затопления, а также проведена реструктуризация других предприятий связанных с угольной отраслью.
Ликвидация угольных шахт и
реструктуризация угольных предприятий Восточного Донбасса определялась особенностью
функционирования, экологическим и экономическим состоянием угольных предприятий
и территорий городов: Шахты, Гуково, Новошахтинск, Белая Калитва, Красный
Сулин, Донецк, Зверево, на территории которых были расположены эти предприятия.
В результате проведённого комплексного мониторинга
было выявлено, что основной причиной реструктуризации и ликвидации угольных
предприятий явилось то, что эти предприятия производили продукцию с
отрицательной прибылью. Она понималась как разница между стоимостью продукции и
предоставляемых услуг, реализуемых этими предприятиями и стоимостью сырья,
материалов, комплектующих, приобретённых для производства продукции и оказания
услуг, а также дотациями выдаваемые этим предприятиям для поддержания
жизнеобеспечения необходимого уровня шахтёрских городов и посёлков, и для
обеспечения промышленной и экологической безопасности. В дополнении к этому на
территориях этих городов и посёлков сложилась неблагоприятная экологическая
ситуация.
Как известно, сбалансированное социально-экономическое развитие,
не разрушающее окружающей среды и обеспечивающее непрерывный прогресс населения
данных территорий, определяется оптимизацией трёх основных составляющих:
экономического роста, экологической и промышленной безопасности, а также социальной
защищённости населения. [1.с27]
Анализ и оценка результатов комплексного мониторинга последствий
реструктуризации и ликвидации угольных предприятий области позволили сделать
вывод о том, что не смотря на то, что хотя и был разработан и реализован
комплекс нормативно-правовых и организационных мер, осуществлено финансирование
в необходимых объёмах, всё равно ликвидация и
реструктуризация угольных предприятий Ростовской области привило к серьёзным
нарушениям условий нормального и прогрессивного функционирования шахтёрских муниципальных образований, к снижению
воспроизводства населения, его жизнедеятельности, занятости, самочувствия,
здоровья и продолжительности жизни, не улучшилось и экологическое состояние
этих территорий.
Оставляя в стороне (до следующей статьи) технические,
экономические и иные аспекты и проблемы последствий реструктуризации и
ликвидации угольных предприятий, выявленных при
эколого-социо-экономическом мониторинге,
остановимся, в этой работе, только на экологических проблемах вызванных
шахтными подземными водами, которые образуются в результате ликвидации угольных
шахт путём их затопления.
Основными задачами мониторинга за образованием этих вод и влиянием их на окружающую и иную
среды являлись:
- наблюдение за темпами образования подземных вод, механическими,
химическими, биохимическими и иными процессами, протекающими в воде во время
заполнения её пустот ликвидируемой шахты, обработкой и анализом полученных
результатов наблюдений;
- наблюдение за элементами антропогенного воздействия образовавшихся
подземных вод, обработкой и анализом полученных результатов;
- прогноз изменения состояния природной и иной сред под влиянием
антропогенного воздействия подземных вод ликвидируемых шахт по результатам
полученных данных и оценка прогнозируемого состояния их;
- разработка и изготовление экспериментальных установок для
проведения исследований по выявлению состава, свойств и других показателей
образующихся подземных шахтных вод, влияние их на элементы окружающей и
производственной сред, а также для разработки рациональных способов и
технологий обезвреживания (очистки) этих вод перед сбросом их в открытый
водоём;
- разработка некоторых практических мероприятий по предотвращению
антропогенного воздействия подземных вод ликвидируемых шахт на элементы
окружающей среды.
В результате натурных наблюдений и экспериментальных исследований,
а также комплексного мониторинга и анализа удалось выявить механизм образования
подземных вод ликвидируемых шахт, который можно описать следующим образом:
Дождевая и талая вода просачиваясь через микропоры, поры, микротрещины, трещины и
свободные пространства обрушенных (нарушенных) горных массивов, двигаясь в
свободные горные выработки, подвергается различным воздействиям (физическим,
физико-химическим, химическим, анаэробно-биохимическим и другими). В результате
суммарного воздействия она (вода) приобретает новые специфичные для данной
шахты свойства.
В результате
вышеназванных процессов превращения, в том числе, выщелачивания из ранее
образованных (во время эксплуатации шахты) нерастворимых кислородных соединений
полиметаллов типа (МеnОм), в основном железа (в виде FеnOм),
образуются растворимые в воде формы многих металлов, в том числе и тяжёлых
(цинк, никель, кадмий, серебро, медь и другие) металлов, с различной валентностью от низшей одновалентной
(Ме+), до высшей (Меn+), например железа от одно до трёх валентной.
Такие металлы, как известно, а именно, с переменной валентностью могут быть
одновременно окислителями и восстановителями, проявляя свойства кислоты, так и
щёлочи.
Одновременно, в воду переходят ионы щелочных и щелочеземных
металлов (К, Nа, Са, Мg и др.), а также образуются кислоты и кислотные остатки
как слабых, так и сильных кислот (серной, соляной, сероводородной, карбонатной,
гидрокарбонатной и др.) и различные нейтральные, кислые, щелочные и
слабокислотные соли натрия, калия, кальция, магния и другие.
Образование таких различных химических соединений приводит к
высокой кислотности, токсичности и агрессивности воды, показатель кислотности и
агрессивности выраженный в виде РН находится в пределах от 1,1 до 5,4.
Выявлено, что концентрация железа, как основной наиболее вредной
примеси в подземных водах, во всех ликвидированных шахт, в несколько раз
превышает концентрацию железа в шахтных водах во время эксплуатации этих шахт.
Если во время эксплуатации шахт концентрация железа в шахтных водах колебалось,
в зависимости от шахты, от 0,5 до 25,0 мг/л и не превышала 50,0 мг/л, то в
подземных водах этих ликвидируемых шахт минимальная концентрация составила
более 12мг/л (ш.Глубокая), средневзвешенная более 95мг/л (ш.Кирова), а
максимальная наблюдалась более 1185 мг/л (ш.Бургустинская).
Установлено, что средневзвешенная концентрация железа и других
примесей зависит от глубины отвода этих вод. Выявлено, что чем ниже отводится
вода, тем меньше концентрация железа в ней, при прочих равных условиях. Однако
во всех случаях содержание железа не опускалось менее 10 мг/л, даже при максимальной
глубине отвода воды для данной шахты. Таким образом, можно утверждать, что в
подземных водах любой ликвидируемой шахты Ростовской области, даже при
максимальной глубине отвода воды концентрация железа в ней будет составлять не
менее 10 мг/л.
При выборе способа и технологии очистки таких вод следует
исходить из свойств подземных вод конкретной ликвидируемой шахты и кроме того
необходимо проводить технико-экономический расчёт по вариантам, учитывая
затраты на откачку воды с разных глубин и затраты на её очистку. При этом
необходимо учитывать тот факт, что чем ниже производится откачка воды, тем
больше затраты на её откачку, но тем меньше затраты на нейтрализацию агрессивности и токсичности, на удаление
примесей тяжёлых металлов, на очистку её и обеззараживание очищенной воды, а
так же на обезвреживание и хранение образующихся железосодержащих осадков.
Выявлено, что подземные воды ликвидируемых шахт характеризуются
высокими окислительно-восстановительными потенциалами, который в одной и той же
воде может быть в пределах от +2,53 до -0,96В. Такой широкий электрический
потенциал, сказывается на её (воде) высокой внутренней активности,
агрессивности и общей токсичности. Эти свойства способствуют к постепенному с
различной скоростью, но неотвратимому растворению (коррозии) практически любых
веществ, в том числе горных пород, любых металлических и железобетонных
сооружений. В связи с этим требуется постоянный контроль подземных сооружений и
коммуникаций, с целью предупреждения всевозможных аварий на них и иных
чрезвычайных ситуаций. Необходимо также отводить эти воды от сооружений и коммуникаций
в случае их подтопления, с целью предупреждения их коррозии, растворения и
преждевременного разрушения.
Экспериментальные лабораторные
исследования и расчёты показывают, что
эти и другие свойства подземных вод ликвидируемых шахт могут изменяться в ту
или иную стороны в течение года, однако среднегодовые величины этих свойств
будут оставаться стабильно высокими на протяжении долгого времени, по крайней
мере, не менее 25лет.
Выявлено, что скорость выщелачивания веществ, при прочих равных
условиях выше в микропорах, порах, микротрещинах, трещинах, при этом она
возрастает от минимальной до максимальной по мере увеличения степени
проницаемости и интенсивности истечения
воды в свободное от воды пространство.
Установлено, что масса
растворившихся и перешедших в растворённое состояние веществ зависит от многих
факторов и эту зависимость можно представить в следующем виде:
М=gxQ, где: М- Суммарная масса растворившихся веществ из
горных пород и перешедших в воду в виде растворённых солей, кг(т.); g- суммарная
удельная масса веществ находящаяся в воде в виде растворённых солей (плотный
остаток), кг/м3; Q- масса воды поступающая в горные выработки, м3(час, сутки,
год).
Выявлено, что суммарная удельная масса веществ находящаяся в воде
в виде растворённых солей (плотный остаток) подземных вод ликвидируемых шахт
Донбасса находится в приделах от 6,2 до 18,3 кг/м3.
Увеличение содержания растворённых веществ (плотный остаток) в
шахтной воде действующих шахт может служить как индикатор, говорящий о том, что
в горные выработки действующей шахты начала поступать вода из затопленной шахты.
В этом случае и возможен внезапный прорыв основной массы воды из затопленного
пространства, что приведёт к затоплению горных выработок действующей шахты,
т.е. к аварии или к другим чрезвычайным ситуациям.
В результате выщелачивания веществ из горных пород, а также
окисления и растворения угля и углистых соединений, к ранее существующему
свободному пространству в горных выработках прибавляется вновь образованное
пространство. Такое пространство может образовываться под зданиями,
сооружениями и коммуникациями, что в конечном счёте может привести к обрушению
их и к иным аварийным ситуациям.
Выявлено, что вода заполняя любое свободное пространство в горных
выработках (поры, трещины и так далее)
вытесняет из них находящиеся там различные газы, в том числе окись углерода,
углекислый газ, метан, предельные и непредельные летучие углеводороды и другие
газы. Подымаясь в вверх, эти газы заполняют подвалы и проникают в помещения первых этажей зданий и сооружений,
а также накапливаются в оврагах и низинах на поверхности земли. В результате
этого они загрязняют и отравляют атмосферный воздух, а поскольку суммарный
удельный вес этих газов чуть больше удельного веса атмосферного воздуха они
накапливаются в этих местах и при достижении определённой концентрации они
могут вызвать взрывы и пожары, а также серьёзно повлиять на здоровье жителей
этих районов. Поэтому с целью профилактики, необходимо постоянно или периодически
производить вентиляцию либо проветривание этих помещений. Периодичность
проветривания устанавливается в результате анализа содержания примесей в
атмосферном воздухе в этих помещениях.
Выявлено, что эти воды, как правило, загрязнены также различными
бактериями и степень загрязнённости этими бактериями составляет более 1000
КОЕ/100мл, что требует их обеззараживания, после очистки, перед сбросом
очищенной воды в открытый водоём.
Исследования показали, что для практически полной нейтрализации
агрессивности и токсичности этих вод и удаления из них вредных примесей
необходимо показатель РН доводить до величины 9,5-10,3, а для полного удаления
железа из них требуется повышенная (на 30-50%) доза щелочного реагента, чем при
удалении железа из шахтных вод действующей шахты. Так например, если для
обработки шахтной воды во время добычи угля требовалось от 1,27 до 1,98 г
извести на удаление 1 г железа, то на удаление 1г железа из подземных вод этой
затопленной шахты требуется уже более 2,35г извести.
Установлено, что если в воду будет вводиться извести или любого
иного щелочного реагента меньше требуемого, то в воде в большом количестве (до
35% от общего количества) будут образовываться кислые коллоидные соединения
железа в виде FеООН и тем больше, чем выше концентрация одно и двухвалентного
железа. Этот комплекс практически не удаляется из воды не только в отстойниках
и фильтрах, но и в прудах-осветлителях даже при продолжительности осветления
более 48 часов.
Со временем, этот комплекс попадая в воду водоёма подвергается
«старению» и распаду с образованием оксида железа (типа FеnОм),
свободных ионов железа(Fе+ и Fе2+) и свободных сильных и
слабых кислот. В результате такого
превращения РН воды снижается, достигая зачастую кислой величины (РН= 2,1-4,5).
При такой величине РН (кислотности) начинают растворяться ранее осевшие
соединения железа и тяжёлых металлов. Эти превращения и не до конца нейтрализованная
по агрессивности и токсичности вода, поступающая в открытый водоём, приводит не
только к уничтожению живых водных организмов, но и к угнетению водной
растительности водоёма.
При выборе способа и технологии очистки таких вод следует
исходить из свойств подземной воды конкретной ликвидируемой шахты и проводить
при этом технико-экономический расчёт вариантов, учитывая затраты на откачку
воды с различных глубин и затраты на её очистку. Необходимо помнить при этом,
что чем ниже производится откачка воды, тем больше затраты на её откачку, но
тем меньше затраты на нейтрализацию агрессивности, токсичности, на полную
очистку и обезвреживание её перед сбросом в водоём, а также на обезвреживание и
хранение образующегося при очистке металлосодержащего осадка.
Результаты продолжительных исследований и анализа существующих
способов и технологий, в том числе с использованием химических реагентов,
применительно для очистки подземных вод ликвидируемых шахт, было выявлено, что
эти способы и технологии требуют использования дорогих и вредных химических
реагентов (известь, сода, едкий натр, хлор и др.). В результате очистки образуются
большие объёмы металлосодержащих «грязных» осадков, размещение их с целью
обезвреживания и многолетнего хранения требуется дополнительные затраты и
особого внимания и контроля. Кроме этого эти способы и технологии требуют
больших капитальных и эксплуатационных затрат, а также ведут к безвозвратной
потере ценных и полезных металлов.
Проведённый мониторинг и экспериментальные исследования на
реальных подземных водах ряда ликвидируемых шахт, позволили разработать,
исследовать и предложить к использованию т. н. «безреагентный»
электрохимический способ и технологию очистки подземных вод ликвидируемых шахт,
которые позволяют очистить и обезвредить эти воды, удовлетворяющие требованиям,
предъявляемым к сточным водам сбрасываемых в открытый водоём. Кроме этого они
предусматривают извлечение, регенерацию и реализацию железа и другие ценные и
полезные металлы, которые находятся в воде.
Основной статьёй затрат в себестоимости очистки подземных вод,
также как и шахтных[2, с.54-61], при использовании данных способов и технологии
является затраты на электроэнергию, которые составляют от 60 до 85% от полной
себестоимости. По данным экспериментальным исследований удельный расход
электроэнергии находится в пределах от о,82 до 2,76 кВт.ч на обработку 1м3 воды
и величина расхода электроэнергии зависит от свойств подземной воды,
концентрации железа и других тяжёлых металлов в воде поступающей на очистку.
Описание этих способов и технологий последует в следующих статьях.
И в заключении следует отметить, что ценность
эколого-социо-экономического мониторинга, в данном аспекте, заключается в том,
что он позволяет обеспечить органы власти любого уровня, общественные
организации и граждан данной территории, объективной информацией о состоянии и
тенденциях экологической, промышленной и социальной безопасности. Кроме этого,
он позволяет разрабатывать, выбирать и определять эффективность конкретных
природоохранных мероприятий.
Библиографический список
литературы
1. Россинская М.В. Основы
обеспечения эколого-экономической безопасности региона: монография / М.В.
Россинская. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС,2006.-186с.:ил.
2. Россинская М.В., Трегулова
Н.Г., Россинский Н.П. Оценка эффективности основных способов обеззараживания
шахтных вод//Журнал «Теоретическая и прикладная экология».-2009.-№ 1- Киров:
Изд-во «О-краткое» -с.54-61