Введение к работе
Актуальность работы. Снижение техногенной нагрузки на окружающую природную среду путем уменьшения удельного выхода отходов является одним из основных направлений развития различных отраслей промышленности. Особую значимость решение этой задачи приобрело для предприятий добывающих и перерабатывающих минеральное сырье. Запасы отходов в отвалах производств этих предприятий ежегодно увеличиваются, формируя техногенные массивы. К наименее утилизируемой группе отходов минерального состава относятся дисперсные отходы, уловленные в системах очистки аспирационных и технологических пылегазовыбросов в виде пыли или шлама и удаляемые гидротранспортом в шламонакопители. По своему составу эти отходы представляют собой мелкофракционные остатки минерального сырья и продуктов его переработки. Последствия утилизации отходов данного вида складированием в накопители определяются потерей ценного минерального сырья и загрязнением окружающей природной среды.
Наиболее значительной нагрузке подвергается природная среда на территориях, занятых техногенными массивами металлургических и химических производств. Особенностью техногенных массивов этих производств является их полиэлементный состав с высоким содержанием тяжелых металлов. Вследствие поступления тяжелых металлов техногенным путем в миграционный поток происходит формирование лито- и гидрогеохимических аномалий различной контрастности. Это приводит к изменению качественных характеристик средообра-зующих компонентов промышленных и сопредельных с ними ландшафтов.
Изучению влияния техногенных массивов горно-металлургического производства на компоненты природной среды посвящены исследования Пашкевич М.А., Овсянникова В.М., Черноусова П.И., Юсфина Ю.С., Яковчук М.М. и других отечественных и зарубежных ученых. Теоретическое и практическое значение технологий переработки отходов данного вида металлургическими способами научно обосновано в трудах ученых-металлургов Алехина А.А., Барышникова В.Г., Буланова В.Я., Злобина А.Г., Ибраева И.К., Карабасова Ю.С., Касимова A.M., Лисина B.C., Толочко А.И., Славина В.И., Ульянова В.П., Черепанова К.А., Шульца Л.А. и др. В то же время, несмотря на широкое освоение технологий утилизации отходов данного вида металлургическими методами, на объектах размещения складируются и накапливаются шламы смешанного состава и не соответствующие общим требованиям, предъявляемым к качеству этих отходов при использовании их в металлургических технологиях. Отсутствуют и информационные базы данных тенденции геохимических изменений геологической среды в зоне влияния таких техногенных массивов.
Учитывая негативное влияние компонентов отходов данного вида на окружающую природную среду, ограниченные возможности по расширению объемов накопителей, а также истощение источников минерального сырья, актуальными являются задачи разработки новых решений по определению возможности и обоснованию целесообразности вовлечения таких отходов в ресурсный
цикл и совершенствования методов оценки потенциальной опасности их складирования. Решению этих вопросов и посвящена данная работа.
Основные положения диссертационной работы базируются на результатах исследований и разработок, проведенных автором в 1985-2004 гг.
Программа исследований и решения отдельных вопросов по теме предусматривались планом фундаментальной НИР по Единому заказ-наряду Министерства образования Российской Федерации № 1.3.99 «Термодинамика и системный анализ структурообразования строительных композитов на базе информационно-математических моделей» в рамках научного направления «Структурная механика и теплофизика строительных композитов», вузовскими научно-техническими программами.
Цель работы. Снижение нагрузки на окружающую природную среду техногенных массивов металлургического и химического производства путем разработки новых решений технической задачи вовлечения в ресурсный цикл дисперсных твердых отходов минерального состава.
Идея работы: выбор и разработка технологий утилизации дисперсных отходов осуществляются на применении методов направленного синтеза и строительного материаловедения для получения железооксидных пигментов, строительных вяжущих материалов и изделий с заданными характеристиками на уровне не ниже нормативного.
Задачи исследований:
анализ производств черной металлургии и неорганического синтеза как источников образования и поступления в окружающую природную среду дисперсных твердых отходов;
изучение и анализ тенденции изменения качественных характеристик средообразующих компонентов промышленного ландшафта под воздействием нагрузки техногенных массивов этих производств;
определение структуры и закономерностей формирования техногенных массивов на картах намыва шламонакопителя шламовых вод металлургического производства;
ресурсная оценка складируемых на объектах размещения дисперсных отходов;
разработка научно обоснованных технологических решений зашиты окружающей природной среды с учетом свойств и характеристик накапливаемых на объектах размещения техногенных материалов.
Основные защищаемые научные положения:
-
Комплексный метод расчета и прогнозирования изменения качественных характеристик компонентов природной среды в зонах воздействия техногенной нагрузки накопителей дисперсных твердых отходов, основанный на аналитических данных в сочетании с данными материального баланса основных и экологически значимых примесных компонентов в составе сырьевых материалов, используемых в технологиях производств территориального промышленного комплекса.
-
Выявленные закономерности формирования и структура геохимических аномалий в зонах воздействия техногенных массивов в соответствии со специа-
лизацией промышленности и ландшафтно-геохимическими условиями территории исследуемого региона.
-
Установленные закономерности намыва компонентов шламовой пульпы на пляже шламонакопителя металлургических производств, расчетные оценки и данные экспериментального обоснования ресурсной ценности складируемых в накопителях техногенных материалов.
-
Кинетические закономерности процесса направленного синтеза красных железооксидных пигментов из техногенного шлама железного купороса.
-
Составы сырьевых шихт, технологии получения, установленные особенности процесса структурообразования и результаты испытаний строительных материалов из техногенного сырья.
Методы исследований. Методологической основой работы является системный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных работ отечественных и зарубежных авторов в области определения уровней загрязнения окружающей природной среды и технологий утилизации дисперсных отходов минерального состава.
В качестве основных методов использовались: аналитические и экспериментальные исследования с применением методов физико-химического (рентгеноспектрального, рентгенофазового, атомно-абсорбционного, спектрофотс-метрического, потенциометрического, флуориметрического) и химического анализа качественного и количественного состава проб анализируемых сред, минералогического и химического составов дисперсных твердых отходов и физико-химических характеристик целевых продуктов, преимущественно получаемых из этих отходов; математическое моделирование при оптимизации составов сырьевых шихт, определении кинетических характеристик и параметров процессов направленного синтеза (с использованием плана эксперимента по схеме латинского квадрата, применением рототабельного плана второго порядка Бокса-Хантера, с помощью чисел Чебышева и т.п.); расчетные методы, основанные на законах химической кинетики; методы расчета прогнозных оценок изменения качественных характеристик средообразующих компонентов, экологической и экономической эффективности промышленной реализации разработанных технологических решений.
Научная новизна работы:
-
Разработана методология прогнозирования трансформации компонентов природной среды в зонах воздействия техногенной нагрузки накопителей дисперсных твердых отходов, включающая методы аналитических и расчетных оценок с учетом специализации промышленности и ландшафтно-геохимических условий территории исследуемого региона.
-
Выявлены закономерности формирования и структура лито- и гидрохимических аномалий в зонах воздействия техногенных массивов предприятий черной металлургии и неорганического синтеза в зависимости от свойств и характеристик складируемых отходов и ландшафтно-геохимических условий территории исследуемого региона.
3. Доказано, что прогнозные оценки тенденции изменения качественных
характеристик компонентов окружающей природной среды в зоне воздействия
складируемых на объектах размещения дисперсных отходов для территории промышленного ландшафта исследуемого региона должны быть ориентированы на качество грунтовых вод.
-
Впервые установлены закономерности распределения компонентов шламовой пульпы отдельных потоков металлургического производства, поступающей в шламонакопитель шламовых вод единой технологической линии, в структуре формирующегося пляжа. Определены минералогический и химический составы намытого в шламонакопителе шлама. Показано, что шлам, накапливаемый на картах намыва шламонакопителя шламовых вод металлургических производств, по своим полезным составляющим можно приравнять к железным рудам, имеющим промышленное значение.
-
Доказано, что при комплексном использовании дисперсных отходов различных производств могут быть получены продукты целевого назначения без применения природных сырьевых ресурсов. Экспериментально-статистическими методами определены оптимальные составы сырьевых шихт и параметры технологических процессов получения из отходов железооксидных пигментов, строительных вяжущих материалов и изделий с заданными физико-механическими характеристиками на уровне не ниже нормативного.
-
Впервые определены кинетические характеристики процесса направленного синтеза красных железооксидных пигментов из техногенного шлама железного купороса прокатного производства и исследован характер влияния вида применяемого сырья на минералогический состав и физико-механические показатели продуктов.
-
Установлены особенности формирования структуры строительных материалов из техногенного сырья. Химическим и рентгенофазовым методами анализа выявлен характер взаимодействия клинкерных минералов с водой в составе сырьевой шихты вяжущего с добавкой техногенного сырья. Получены зависимости свойств строительных материалов (прочности, средней плотности, морозостойкости и других) от содержания в составе сырьевой шихты техногенных материалов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением комплекса апробированных современных физико-механических методов испытаний и физико-химических методов анализа (рентгеноспектрального, рентгенофазового, атомно-абсорбционного, спектро-фотометрического, потенциометрического, флуориметрического), методов математического моделирования, удовлетворительным соответствием расчетных результатов экспериментальным данным, а также хорошей сходимостью данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях. По данным испытаний опытных образцов в производственных условиях и в испытательной лаборатории научно-производственного центра (г. Вологда) составлены акты, подтверждающие примеры выполнения испытаний на опытных образцах.
Практическая значимость работы. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования обусловливают снижение техногенной нагрузки на окружающую природную среду и повышение эффективности замкнутых
систем водного хозяйства промышленного комплекса, а также расширение сырьевой базы производства продуктов целевого назначения путем:
переработки шлама, накопленного на картах намыва шламонакопителя, с получением "обогащенной железом фракции, пригодной для использования в качестве металлургического сырья, и нерудной части шлама, отвечающей по химическому и минералогическому составу требованиям строительных норм и правил к качеству сырья для получения строительных материалов;
получения из шлама железного купороса прокатного производства желе-зооксидных пигментов, пригодных для изготовления красок различного назначения и производства декоративного бетона;
комплексного использования дисперсных твердых отходов производства в технологиях получения минеральных вяжущих материалов и декоративного бетона из техногенного сырья без применения природных сырьевых материалов;
— организации замкнутого цикла повторного использования очищенных
сточных вод и рецикла образующегося при этом шлама в производстве свароч
ных электродов.
Реализация научно-технических результатов. Результаты исследований использованы на ОАО «Северсталь» для разработки исходных данных на проектирование опытной промышленной установки подготовки к утилизации шлама из карты намыва шламонакопителя, опытной промышленной установки получения железооксидных пигментов из шлама железного купороса производства холоднокатаного листа, промышленной установки утилизации раствора электролита аккумуляторных батарей транспортных систем, и на ОАО «ЧСІГЗ» для разработки рабочего проекта реконструкции системы водоотведения в производстве сварочных электродов и технологического регламента на изготовление обмазочной массы сварочных электродов в условиях рецикла образующегося при очистке сточных вод шлама, а также в учебном процессе по направлению подготовки дипломированного специалиста 656600 —«Защита окружающей среды».
Личный вклад автора заключается в постановке цели, задач и разработке методологии исследования, анализе и обобщении результатов; в обосновании и разработке комплексного метода прогнозирования трансформации компонентов природной среды под воздействием техногенной нагрузки накопителей дисперсных отходов; в разработке методов и плана экспериментальных исследований, определении кинетических характеристик и создании математических зависимостей процесса направленного синтеза железооксидных пигментов из техногенного шлама железного купороса, свойств строительных материалов и изделий от состава техногенного сырья и технологических параметров. Основные выводы и положения диссертации основаны на расчетных оценках, теоретических и экспериментальных исследованиях выполненных непосредственно самим автором.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 1986-2004 годах на 17 научных конференциях международного, общероссийского и регионального уровней, в том числе: техническом совещании «Опыт применения конструкций из легких бетонов и пути повышения долго-
вечности железобетонных конструкций» (Владивосток, 1986 г.), научно-техническом семинаре «Экономия топливно-энергетических ресурсов в промышленности сборного железобетона» (Челябинск, 1989 г.), XV, XVII Менделеевских съездах по общей и прикладной химии (Минск, 1993 г., Казань.2003 г.), III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1998 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы водоснабжения и экологии водных бассейнов» (Пенза, 1998 г.), Второй Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (физическая экология)» (Москва, 1999 г.), научной конференции «Инфотех-99: Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (Череповец, 1999г.), Областной межвузовской научно-практической конференции «Вузовская наука — региону» (Вологда, 2000 г.), Межрегиональном научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России» (Пенза, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Водохозяйственный комплекс и экология гидросферы в регионах России» (Пенза, 2002 г.), Всероссийской научной школе «Математические методы в экологии» (Петрозаводск, 2001 г., 2003 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая экономика и устойчивое развитие: от глобальной модели к региональной практике» (Уфа, 2002 г.), Второй Международной научно-технической конференции «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (Вологда, 2003 г.), IV Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 2003 г.), Восьмых академических Чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития'строительного материаловедения» (Самара, 2004 г.), а также на семинарах и заседаниях кафедры промышленной экологии ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет».
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 59 печатных работах, в том числе 1 монографии, 1 учебном пособии, 22 статьях научных журналов по списку ВАК России, защищены 2 авторскими свидетельствами и 1 патентом, представлены 13 тезисами докладов.
В целом список трудов соискателя составляет 116 наименований, в том числе 6 авторских свидетельств, 1 патент, 1 монографию и 5 учебных пособий.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы в количестве 377 наименований и 23 приложений. Основное содержание изложено на 310 страницах машинописного текста, иллюстрированного 32 рисунками и 80 таблицами. Приложение изложено на 114 страницах, включает 2 рисунка и 72 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность профессору, д.т.н. Грызлову B.C. за постоянное внимание и ценные советы, профессору Федорчуку Н.М. за сотрудничество при проведении исследований, сотрудникам лабораторий эколо-го-аналитического контроля базовых при выполнении исследований предприятий за организационную помощь и сотрудничество при проведении отбора проб анализируемых сред и их количественного химического анализа.
