Содержание к диссертации
Введение
1. Методология и методика исследований 14
1.1. Методология исследований 14
1.2. Методика получения фактического материала и его оценка 19
1.3. Методика обработки информации 31
Выводы 36
2. Оценка горно-металлургических комплексов как источников техногенной трансформации окружающей среды 38
2.1. Развитие и современное состояние горно-металлургических комплексов 39
2.1.1. Железорудный комплекс 39
2.1.2. Меднорудный комплекс 46
2.1.3. Золоторудный комплекс 52
2.1.4. Никелевый комплекс 55
2.2. Горно-металлургические комплексы как источники трансформации окружающей среды 58
2.2.1. Формирование рассеяния загрязняющих веществ в составе пылевых выбросов 58
2.2.2. Формирование рассеяния загрязняющих веществ в составе сточных вод 74
2.2.2. Накопление загрязняющих веществ в составе отходов производства 84
2.3. Технолого-геохимический баланс загрязняющих веществ в горно-металлургическом производстве 89
2.3.1. Технолого-геохимический баланс загрязняющих веществ в горно-обогатительном производстве 91
2.3.2. Технолого-геохимический баланс загрязняющих веществ в металлургическом производстве 94
Выводы 98
3. Формирование трансформации окружающей среды под воздействием загрязняющих веществ техногенно-минеральных образований 101
3.1. Формирование атмогенных потоков рассеяния загрязняющих веществ в окружающей среде 103
3.2. Формирование гидрогенных потоков рассеяния загрязняющих веществ в окружающей среде 106
3.2.1. Физико-математическая модель формирования потоков рассеяния 106
3.2.2.Исследование факторов формирования гидрогенных потоков рассеяния 112
3.3. Классификация техногенно-минеральных образований по опасности воздействия на окружающую среду 120
Выводы 124
4. Фоновое распределение загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды среднего урала 138
4.1. Геологические и рудные формации 140
4.1.1. Формации железорудных месторождений 143
4.1.2. Формации меднорудных месторождений 148
4.1.3. Формации золоторудных месторождений 153
4.1.4. Формации экзогенных месторождений 158
4.2. Почвенный слой 160
4.3. Приземная атмосфера 169
4.4. Природные воды 178
4.4.1. Подземные воды 178
4.4.2 Поверхностные воды 187
Выводы 191
5. Прогнозирование, нормирование и оценка техногенной трансформации окружающей среды при атмогенном воздействии горно-металлургических комплексов 193
5.1. Воздействие на атмосферу 194
5.1.1. Прогнозирование и нормирование загрязнения атмосферы 194
5.1.2. Оценка состояния загрязнения атмосферы 201
5.2. Воздействие на снежный покров 204
5.2.1.Прогнозирование и нормирование загрязнения снежного покрова 206
5.2.2 Оценка загрязнения снежного покрова 211
5.3. Воздействие на почвенный слой 229
5.3.1. Прогнозирование и нормирование загрязнения почв 230
5.3.2. Оценка загрязнения почв 239
Выводы 260
6. Прогнозирование, нормирование и оценка техногенной трансформации окружающей среды при гидрогенном воздействии горно-металлургических комплексов 263
6.1. Воздействие на подземные воды 264
6.1.1. Миграция загрязняющих веществ через зону аэрации 264
6.1.2. Прогнозирование и нормирование загрязнения подземных вод 278
6.1.3. Исследование загрязнения подземных вод на объектах складирования отходов 285
6.2. Воздействие на поверхностные воды 299
6.2.1 Источники формирования загрязнения поверхностных вод 300
6.2.2 Прогнозирование, нормирование и оценка загрязнения поверхностных вод 311
Выводы 328
Заключение 330
Список использованной литературы 332
Приложения 353
- Методика получения фактического материала и его оценка
- Формирование рассеяния загрязняющих веществ в составе пылевых выбросов
- Формирование атмогенных потоков рассеяния загрязняющих веществ в окружающей среде
- Формации железорудных месторождений
Введение к работе
Актуальность работы. При воздействии горно-металлургических комплексов (ГМК) происходит интенсивная техногенная трансформация окружающей среды, которая заключается в её загрязнении. Это характерно для Среднего Урала - старейшей горнодобывающей и перерабатывающей минеральное сырьё провинции. Геологическое развитие Уральской складчатой области предопределило формирование здесь большого количества месторождений рудных полезных ископаемых. Разработка минеральных ресурсов и переработка рудного сырья, начавшиеся три столетия назад, и в настоящее время являются основой экономики региона. В процессе добычи и переработки минерального сырья во все среды - воздух, почвы, поверхностные и подземные воды поступает большое количество загрязняющих компонентов, главным образом, металлов, создающих серьезную экологическую угрозу.
В. И. Вернадский первым раскрыл геохимический смысл преобразования природы деятельностью человека, подчёркивая возможность больших негативных последствий воздействия на природные среды, в особенности на атмосферу и гидросферу. Именно на эти среды в настоящее время осуществляется регулирование процесса загрязнения посредством нормирования воздействия источников. Оно сводится к разработке для предприятий нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферу и предельно допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ в водные объекты с последующим выполнением комплекса природоохранных мероприятий.
Используемые методические приёмы при прогнозировании, нормировании и контроле воздействия ГМК на окружающую среду не учитывают ряд аспектов, что нередко приводит к формализации этих процессов с последующими негативными экологическими последствиями.
Опираясь на представления В. И. Вернадского, А. И. Ферсмана, а также исследователей в области охраны окружающей среды М. А. Глазове кой, В. В.
Добровольского, Дж. Фортескью, А. И. Перельмана, Ю. Е. Саета, Ю. А. Израэля, Э. К. Буренкова, В. В. Иванова, В. А. Алексеенко, М. И. Воина, П. В. Елпатьевского, Е. П. Янина, М. Е. Берлянда, Н. Л. Бызовой, В. Б. Ильина, А. И. Обухова, В. М. Гольдберга, В. А. Мироненко, И. Д. Родзиллера, А. М. Черняева и многих других учёных, необходимо выработать концепцию оценки трансформации окружающей среды под воздействием ГМК. Объективность оценки может быть обеспечена учётом распределения загрязнителей во всех ингредиентах среды на каждом этапе технологического цикла. Особое значение рассматриваемая проблема имеет для урбанизированных территорий в открытых структурах складчатых поясов. Её решение возможно на примере Среднего Урала с его своеобразным геологическим строением и металлогенией, определяющими природное повышенное и неоднородное содержание загрязняющих компонентов в окружающей среде, с длительной историей отработки рудных месторождений и переработки сырья, сформировавших мощное техногенное загрязнение.
Объектами исследований, рассмотренными в данной работе, явились ГМК Среднего Урала, включающие в себя железорудный (города Качканар, Кушва, Алапаевск, Н. Тагил), меднорудный (города Красноуральск, Кировград, В. Пышма), никелевый (г. Реж), золоторудный (г. Березовский) комплексы и компоненты окружающей среды (атмо-, лито- и гидросферы) в их пределах.
Предметом исследований являлись эколого-геохимические аспекты техногенной трансформации окружающей среды под воздействием ГМК.
Цель и задачи исследований. Цель - разработать методологию иследования трансформации окружающей среды под воздействием ГМК. При этом решались следующие задачи: оценка на основе технолого-геохимического баланса загрязняющих веществ горно-металлургических комплексов как источников трансформации окружающей среды; исследование факторов загрязнения окружающей среды под воздействием техногенно-минеральных образований (ТМО); установление закономерностей фонового распределения
загрязняющих веществ в окружающей среде Среднего Урала; разработка методологии комплексного прогнозирования, нормирования и оценки атмогенного и гидрогенного воздействия на окружающую среду ГМК.
Исходные материалы. Исследования основаны на фактических материалах геоэкологических исследований на территориях воздействия ГМК, выполненных Уральской государственной горно-геологической академией под руководством и при участии автора; данных лабораторных исследований химического состава вмещающих пород и руд уральских месторождений, ТМО, донных отложений, подземных вод и других элементов геологической среды, также пылевых выбросов, сбросов сточных вод, выполненных различными подразделениями Департамента природных ресурсов по Уральскому региону, с которыми автор сотрудничал продолжительное время; материалах по загрязнению воздуха, снегового покрова, почв, поверхностных вод, накопленных Уральским управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, в обработке которых автор также принимал участие. Весь фактический материал получен по аттестованным методикам с соответствующим метрологическим обеспечением.
В диссертационной работе использовано более тридцати тысяч результатов количественных анализов природных компонентов окружающей среды, источников загрязнения и компонентов среды в зоне воздействия ГМК, значительная часть которых получена и обработана лично автором.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы научного познания, теоретическое обобщение современных знаний и представлений о процессах трансформации окружающей среды под воздействия ГМК. Широко применялись полевые и лабораторные методы, включающие съёмочные работы, опробование, бурение, опытные работы, количественные химические анализы, лабораторные методы исследования процессов выщелачивания загрязнителей из отходов. При обработке материалов использовались вероятностно-статистические методы,
картографический метод и математическое моделирование с применением компьютерных технологий. Защищаемые научные положения:
Объективность оценки техногенной трансформации окружающей среды под воздействием горно-металлургических комплексов обеспечивается учётом распределения загрязнителей во всех ингредиентах среды на каждом этапе технологического передела руд. Критерием количественной оценки является технолого-геохимический баланс рудных и попутных элементов в полном цикле переработки минерального сырья (глава 2).
Загрязнение окружающей среды под влиянием техногенно-минеральных образований определяется объемом и дисперсностью отходов, минеральной формой нахождения и концентрацией элементов в отходах. По интенсивности воздействия на окружающую среду ТМО целесообразно подразделить: на неопасные, умеренно опасные и опасные (глава 3).
Выявление техногенной трансформации окружающей среды под влиянием ГМК связано с оценкой параметров локального геохимического фона, который является функцией распределения химических элементов в природных образованиях в зависимости от геохимической специализации и металлогенических особенностей рудных районов, полей и месторождений (глава 4).
Формирование взаимосвязанного в элементах ландшафта загрязнения обуславливает необходимость комплексного прогнозирования, нормирования и оценки атмогенного воздействия ГМК на окружающую среду, основанных на расчетах распределения компонентов в приземной атмосфере, снежном покрове и педосфере (глава 5).
Наличие большого числа источников загрязнения гидросферы предопределяет необходимость их комплексного учёта, обеспечивающего объективность прогнозирования, нормирования и оценки гидрогенного воздействия ГМК на подземные и поверхностные воды (глава 6).
Научная новизна:
установлено, что объективность оценки трансформации окружающей среды от воздействия ГМК обеспечивается учётом распределения компонентов-загрязнителей в полном цикле технологического передела руд;
впервые предложен критерий количественной оценки воздействия ГМК на окружающую среду - технолого-геохимический баланс рудных и попутных элементов;
установлены основные факторы, определяющие загрязнение окружающей среды от ТМО;
разработана классификация ТМО по опасности загрязнения окружающей среды;
выявлены закономерности неоднородного фонового распределения загрязняющих веществ в окружающей среде Среднего Урала;
впервые выявлена взаимосвязь загрязнения металлами атмосферы, снегового покрова, почв, подземных вод, донных отложений и поверхностных вод, сформировавшегося под воздействием ГМК Среднего Урала;
определены основные источники формирования загрязнения поверхностных вод территории влияния ГМК, и дана их количественная характеристика;
разработана методология комплексного прогнозирования, нормирования и оценки воздействия ГМК на окружающую среду.
Практическая значимость:
определены технолого-геохимические балансы элементов-загрязнителей ряда предприятий горно-металлургического профиля и в целом для территории Среднего Урала;
установлены фоновые концентрации компонентов в различных средах (почвы, подземные и поверхностные воды) для территорий распространения основных рудных формаций Среднего Урала, которые могут использоваться при нормировании загрязнения окружающей среды;
предложена комплексная методика исследования миграционных параметров зоны аэрации для прогнозирования загрязнения подземных вод;
предложена методика расчёта предельно допустимого сброса сточных вол в подземные воды;
даны методические рекомендации по более эффективному прогнозированию, нормированию и оценке загрязнения окружающей среды территорий ГМК.
Реализация результатов работы произведена в период с 1991 по 2003 годы при разработке проектов предельно допустимых сбросов и водоохранных мероприятий следующих предприятий: АО «Гороблагодатское РУ», ОАО «Билимбаевский рудник», ОАО «Красноуральский мелькомбинат», ЗАО «Алапаевский металлургический завод», ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», МП ЖКХ г. Березовского и МП ЖКХ г. Кушвы; при разработке по заказу Госкомприроды и Правительства Свердловской области «Методических рекомендаций по оценке влияния складируемых отходов производства на окружающую среду в Свердловской области для ведения целенаправленного мониторинга мест размещения отходов и техногенных образований»; при подготовке Государственного доклада о состоянии природной среды и здоровья населения Свердловской области; при выполнении по заказу Правительства Свердловской области работы «Систематизация материалов по техногенным месторождениям (образованиям)
отходам горнодобывающего, обогатительного, металлургического, химического и энергетического производств с целью пополнения их банка данных, совершенствования системы паспортизации и автоматизированного учёта»; при чтении лекций по курсам: «Экология», «Расчёты и моделирование миграции», «Гидрогеологические исследования в техногенных зонах», при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на: Всесоюзной конференции «Подземные воды и эволюция литосферы», Москва,
1985; на семинаре кафедры гидрогеологии ЛГИ, Ленинград, 1988; 2-м Всеуральском совещании по охране подземных вод Урала, Оренбург, 1988; XII Всесоюзном совещании по подземным водам Востока СССР, Иркутск, 1988; 3-м Всеуральском совещании по охране и рациональному использованию подземных вод, Челябинск, 1989; 2-м Всесоюзном семинаре по геостатистике, Петрозаводск, 1990; Международном симпозиуме по науке и технике, Чехо-Словакия, Пржибрам, 1991; региональной конференции «Гидрогеология, инженерная геология и геоэкология месторождений полезных ископаемых», Екатеринбург, 1994; 4-м Всесоюзном совещании по подземным водам Урала, Пермь, 1994; региональных совещаниях УралТИСИЗа, Екатеринбург, 1995-1997; научно-технической конференции «Экология города», Пермь, 1998; Международной конференции «Чистая вода России», Екатеринбург, 1999; Международной конференции «Экологическая геология и рациональное природопользование, С.-Петербург, 2000; I Международной геоэкологической конференции, Тула, 2000; научно-практических конференциях «Экологические проблемы промышленных регионов», Екатеринбург, 1996-2003; Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий, Екатеринбург, 2001; совместном заседании кафедр динамической геологии и гидрогеологии, минералогии и петрографии, инженерной геологии и охраны недр, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых ПТУ, Пермь, 2001; конференции «Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики», С.-Петербург, 2002; Международной конференции «Техногенная трансформация геологической среды», Екатеринбург, 2002; семинарах геологического факультета и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральской государственной горно-геологической академии (УГГТА) и других.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы в т. ч. две монографии, одна брошюра, тридцать одна статья и восемь тезисов докладов конференций.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 246 наименований и приложений. Работа изложена на 380 страницах текста, содержит 38 рисунков и 120 таблиц.
Работа выполнена на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральской государственной горно-геологической академии. Автор выражает признательность доктору геолого-минералогических наук, профессору О. Н. Грязнову за большую помощь в проведении исследований. Автор благодарен доктору геолого-минералогических наук профессору ПГУ А. Я. Гаеву за научные консультации и ценные советы, а также сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГТГА, в особенности профессору С. Г. Дубейковскому, доцентам Э. И. Афанасиади, Л. П. Парфеновой, за оказанную поддержку.
Продолжительное время автор сотрудничал с геологическими и экологическими службами предприятий горно-металлургического профиля Урала. Это ОАО «Гороблагодатское РУ» (А. К. Гейс, А. Л. Шнеерсон, О. С. Лабутина); ОАО «Билимбаевский рудник» (А. И. Зевахин), ОАО «Красноуральский мелькомбинат» (И. А. Бичукина), ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (С. А. Пермяков, Б. В. Михайлов, С. К. Пунтус, В. И. Дрягунскова). Результаты работ внедрены на этих предприятиях в период с 1982 по 2003 годы, а материалы исследований использованы при написании диссертации. Ценные сведения, также используемые в диссертационной работе, получены благодаря сотрудничеству автора с Уральской комплексной съёмочной экспедицией (С. И. Мормиль, Л. А. Амосов); с Уральским управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (А. А. Успин, Т. А. Соколова), со Свердловским областным комитетом по охране природы (А. Н. Александров И. Н. Данильченко, Н. С. Комиссарова). Всем им автор выражает свою признательность и благодарность.
Методика получения фактического материала и его оценка
Фактический материал диссертационной работы представлен данными по техногенному воздействию ГМК на окружающую среду, включающими сведения о предельно-допустимых и фактических выбросах и сбросах предприятиями загрязняющих веществ, объёмах и химическом составе накапливаемых отходов, о содержании компонентов в окружающей среде в зоне их влияния, данными по литолого-минералогическому и химическому составу пород и руд Среднего Урала, природному содержанию компонентов в снежном покрове, почвах, подземных и поверхностных водах различных металлогенических зон Среднего Урала, техногенной трансформации окружающей среды территории воздействия ГМК, включающей сведения о загрязнении воздуха, снежного покрова, почв, подземных, поверхностных вод и донных отложений. Все эти данные получены в результате собственных исследований или длительного сотрудничества автора с различными предприятиями, организациями и учреждениями.
В связи с образованием Государственного комитета по охране природы в последние 15 лет налажена статистическая отчётность предприятий выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую среду и накопления отходоё. Данные о минералогическом, химическом составе и объёмах выбросов получены в ходе инвентаризации источников на различных технологических циклах переработки руд и учтены в расчётах фактической платы за выброс (сброс) загрязняющих веществ (приложение 1, 2). Качество химических анализов достаточно высокое, так как на предприятиях осуществляются химико-аналитические работы по аттестованным методикам с соответствующим метрологическим обеспечением. Контроль источников выбросов (сбросов) производится по специальным программам, утверждённым Министерством природных ресурсов по Свердловской области, который также осуществляет внешний надзор. Всё это обеспечивает достоверность полученной информации.
Оценка воздействия техногенно-минеральных образований на окружающую среду произведена в ходе работ [169], выполненных УГГГА под руководством автора. Особенно детально исследовалось влияние шлаковых отвалов ОАО «НТМК» на снежный покров и почвы, поверхностные и подземные воды. Схема опробования снежного покрова и почв зоны воздействия шлаковых отвалов ОАО «НТМК» приведена на рис. 1.2. В методическом плане получения фактического материала можно выделить три этапа: опробование, пробоподготовка, химико-аналитические работы.
Снежный покров. При отборе проб снега учитывались ландшафтно-геохимические условия [19]. Поэтому на 1 этапе работ, до наступления зимнего периода, проводилась рекогносцировочная оценка местности и предварительный анализ ландшафтно-геохимической информации. Особое внимание уделялось литогенной основе ландшафта и характеру растительного покрова. В итоге выделены ландшафты, типичные для изучаемой местности.
Пробы снега отбирались пробоотборниками (ИПС или самодельными) методом „конверта". Размер элементарной площадки единичной снеговой пробы обычно 0.01 м2, сборной - 0.05 м2. При этом количество талой воды составляло не менее 5 литров, количество взвесей (пыли) - не менее 1 грамма. Снег опробовался, как правило, в конце февраля-марта месяца на всю мощность. Нижний слой снега мощностью 5 см отбрасывался, чтобы исключить влияние почвенных частиц. При документации указывались: №№ пикетов (проб), привязка, дата отбора, площадь и мощность опробованного снегового покрова, визуальные особенности снега, погода, виды анализов. Снег упаковывался в полиэтиленовые мешки и доставлялся в лабораторию [19, 88, 178]. Получение проб талой воды осуществлялось в режимах быстрого и медленного таяния. Талая вода первоначально фильтровалась через специально подготовленный плотный фильтр. После завершения фильтрации замерялось количество фильтрата с последующим разделением на виды анализов. Пробы на определение металлов в количестве 0.5 дм подкислялись 1-2 мл НС1 марки ХЧ до рН = 2 и подвергались дополнительной декантации в полиэтиленовых белых емкостях в холодильной камере. Для проверки отсутствия коллоидных частиц в растворе проводилось спектрофотометрическое изучение фильтрата в сравнении с дистиллированной водой [55]. После фильтрации остаток на фильтре высушивался, доводился в эксикаторе до постоянного веса и взвешивался на аналитических весах с точностью до 0.1 мг. После этого он подвергался бинокулярному просмотру с целью удаления крупнодисперсных примесей вещества природного происхождения (песок, растительные остатки и т. д.). После отделения таких крупных частиц фильтр с пылью разрезался на три равные части. Если взвеси достаточно (более 300 мг), она отделялась от фильтра, при малом количестве распределялась равномерно по площади. Химическая пробоподготовка осуществлялась методом мокрого озоления. Одна треть фильтра обрабатывалась 5 мл смеси особо чистых азотной и соляной кислот (пропорция 4:1) при температуре 100С в течение часа. Полученный раствор фильтровался и проводилось определение элементов без разбавления. Реализация схемы требовала применения высокочувствительной аппаратуры атомно-адсорбционного анализа (Приложение 3). Почвы. Опробование почв проводилось на детальной топооснове при помощи полуинструментальной привязки пикетов с использованием следующей методики: - Расстояние между профилями 300 м. - Расстояние между пикетами увеличивалось при удалении от отвала от 25-50 м до 250-500 м. - Для обеспечения необходимой представительности на каждом пикете отбиралось пять проб почв методом „конверта" (по углам и в центральной части с 1 м2), объединяемые в одну сборную пробу, которой присваивался номер пикета. Вес единичных проб 0.2 кг, объединенной - до 1 кг. - При опробование почв документировалось: №№ пикетов, их привязка, глубина отбора, тип ландшафта, тип почвы, описывался опробуемый почвенный горизонт, его цвет, другие визуальные особенности, дата отбора. Особо отмечались характерные ландшафтные особенности местности, проводился абрис местности с указанием углов наклона поверхности, других характерных элементов ландшафта. При опробовании почв руководящим документом являлся ГОСТ 17.4.4.02-84. Пробоподготовка почв проиводилась согласно многочисленным методическим рекомендациям (РД 52.18.191-89, РД 52.18.289-89 и др.). Для определения валого содержания элементов пробы почв высушивались, просеивались через сито 1 мм и растирались до состояния пыли. Подвижные формы элементов экстрагировались ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН = 4.8 ( Приложение 4).
Формирование рассеяния загрязняющих веществ в составе пылевых выбросов
Воздействие ГМК на окружающую среду нашло отражение в работах [20, 26, 27, 28, 37, 38, 62, 65, 68, 83, 92, ИЗ, 167, 181, 237]. Современное горнометаллургическое производство содержит большое количество технологических операций. В горном производстве - это добыча руд поверхностным, подземным или комбинированным способами и обогащение. Чёрная металлургия включает в себя агломерацию, доменное и сталелитейное производство различными способами: мартеновское, конвертерное, электросталеплавление. В цветной металлургии осуществляются обжиг, плавка в отражательной печи или шахтная плавка, конвертирование и рафинирование в анодных печах. Исходя из этого, выделяются два этапа переработки руд: холодная и термическая. На первом этапе химические элементы находятся в своём первоначальном минерально-агрегатном состоянии, на втором оно изменяется [192].
Потоки загрязняющих веществ формируются на всех стадиях переработки минерального сырья: добычи, обогащения и металлургического передела. Интенсивность потоков зависит от объёмов пылевого выброса и сброса сточных вод и концентрации в них металлов. В ТМО загрязняющие вещества временно накапливаются, а затем также рассеиваются в окружающей среде.
Формирование рассеяния загрязняющих веществ в составе пылевых выбросов Рассеяние загрязняющих веществ в составе пылевых выбросов в горнообогатительном производстве происходит в результате следующих процессов 1) ветровой эрозии открытых поверхностей горных выработок, отвалов и шламохранилищ; 2) в процессе выполнения технологических операций: бурения, взрывания, выемки, погрузки, транспортировки, дробления. Развитие процессов ветровой эрозии открытых поверхностей горных пород зависит от многих факторов: климата района, скорости ветра и характера его изменения у поверхности, турбулентности потока, связанности частиц породы, их гранулометрического состава. Основным параметром, характеризующим мобилизацию пыли, является её удельная сдуваемость (кг/км -год). При скорости ветра в пределах 0-5 м/с удельная сдуваемость пыли крупностью до 100 мкм незначительна и её изменение носит прямолинейный характер [135]. С возрастанием скорости ветра свыше 5 м/с удельная сдуваемость увеличивается по параболической зависимости. Основным мероприятием по уменьшению количества пыли, сдуваемой ветром с открытых поверхностей, нарушенных ведением горных работ на исследуемых объектах, является увлажнение пылящей поверхности водой. С её помощью удаётся снизить поступление пыли в атмосферу на 50 %.
Скорость образования пыли при бурении 2-3.5 кг/с. Даже при оборудовании станков пылеуловителями запыленность воздуха у станка достигает 1.5-1.6-Ю4 мкг/м3. При работе буровых станков снижение пылевыделения достигается путём применения технологических мер (бурение на оптимальных режимах и специальными долотами) и эффективных пылеулавливающих установок.
Количество пыли, образующейся при взрыве, зависит от исходной трещиноватости горных пород. Чем она интенсивнее, тем меньше образуется пыли. При взрыве нагретые газы, поднимаясь вверх, увлекают пылеватые частицы и формируют газопылевое облако первоначально сферической формы. Концентрация пыли в облаке достигает 510-4250 мг/м . Ветер определяет направление, скорость движения этого облака и в конечном счете характер разноса пыли, мобилизованной взрывом. Взрывные газы при расширении передают энергию воздуху в виде волн сжатия и растяжения, которые в свою очередь могут мобилизовать некоторое количество пыли. Мелкие фракции (104 мкм) образуют очень медленно оседающую (витающую) пыль. Осаждение ее ускоряется при атмосферных осадках. Сокращение пылевыделения при взрывных работах осуществляется за счёт организационно-технологических и инженерно-технических мероприятий. Одним из организационно-технологических мероприятий является проведение взрывов при благоприятном направлении ветра, с тем, чтобы большая часть пыли осела в карьере. Инженерно-технические мероприятия включают в себя обеспыливание с помощью внешних, внутренних и комбинированных гидрозабоек скважин, эффективность которых достигает 50-90 %, забоек скважин снегом и льдом, сокращающих пылевыделение в 3-5 раз.
Всего на среднем по размерам карьере в течение года формируется (5-10)х10 т пыли, в пропорции 1 т пыли на каждые 10000 т добытой горной массы. Грубые фракции распределяются в пределах карьера, часть пыли выносится за его пределы [67]. Выбросы пыли ОАО «Сафмедь» в 1999 году составили 89.7 т при добыче руды 805 тыс. т, что соответствует 0.011 % добытой руды. Такие же соотношения получены по Волковскому руднику. При добыче в 1999 году 500 тыс. т руды выбросы пыли составили 57.9 т.
Горнодобывающие предприятия на Урале обычно охватывают и обогащение руд. Таким предприятием является ОАО «Березовский рудник». На обогатительной фабрике в процессе дробления и обогащения руды выделяется неорганическая пыль, которая удаляется системой механической вентиляции. Помимо организованных источников на руднике имеются неорганизованные источники: хвостохранилище, склад руды и щебня, загрязняющие атмосферу неорганической пылью. В настоящее время ОАО «Березовский рудник» имеет 67 источников выбросов. Вентиляционными являются 63 источника, из них очистка имеется на 17 источниках. Неорганизованных источников - 4. Загрязняющие вещества, содержащие металлы, поступающие в атмосферу от ОАО «Березовский рудник», представлены в табл. 2. 6. Из таблицы следует, что металлы поступают в атмосферу в составе нескольких загрязняющих веществ, ведущая роль из которых принадлежит рудной пыли. Расчетные значения поступления металлов с учётом присутствия их в рудной пыли значительно превышают фактические, представленные по форме статистической отчётности предприятия (табл. 2. 7).
Таким образом, потоки рассеяния загрязняющих веществ, формирующиеся в составе пылевых выбросов горно-обогатительных комплексов Среднего Урала, являются весьма значительными. Интенсивность загрязнения окружающей среды от горно-обогатительного производства определяется, главным образом, содержанием металлов в рудном сырье.
Формирование атмогенных потоков рассеяния загрязняющих веществ в окружающей среде
В цветной металлургии увеличения концентрации металлов в пыли в зависимости от уровня передела не обнаружено. Наибольшее количество сидерофильных элеметов, поступающих в окружающую среду, связано с выбросами предприятий чёрной металлургии, а халькофильных - цветной.
Рассеяние загрязняющих веществ в составе сточных вод предприятий горно-металлургического профиля формируются также на всех технологических операциях. Их интенсивность зависит от объёмов сбрасываемых вод и содержания в них металлов. Разработана геохимическая классификация сбросов сточных вод ГМК. Для Среднего Урала наибольший вклад в загрязнение гидрографической сети сидерофильными элементами вносят железорудная и золоторудная отрасли. Сброс халькофильных элементов распределён примерно одинаково по железорудной и меднорудной отраслям.
Накопление загрязняющих веществ в ГМК Среднего Урала происходит в составе отходов производства. Наибольшее количество сидерофильных элементов, накапливающихся в составе отходов, связано с железорудной отраслью, причем главным образом с обогатительным циклом. Халькофильные элементы (медь, цинк, свинец) превалируют в меднорудной отрасли.
Критерием количественной оценки воздействия ГМК на окружающую среду является технолого-геохимический баланс рудных и попутных элементов в полном цикле переработки минерального сырья. Разработана методика составления технолого-геохимического баланса в ГМК, позволяющего выявить наиболее приоритетные источники загрязнения окружающей среды и оценить их воздействие на окружающую среду. Приведены расчёты технолого-геохимического баланса загрязняющих веществ по ряду предприятий горнометаллургического комплекса Среднего Урала.
По определению академика К. Н. Трубецкого (1989г.), техногенно-минеральное образование - скопление минеральных веществ на поверхности земли или в горных выработках, образовавшееся в результате отделения от массива и складирования в виде отходов горного, обогатительного и металлургического производств.
Многолетнее использование минеральных ресурсов привело к накоплению на территории Среднего Урала нескольких миллиардов тонн отходов, формирующих ТМО [66, 101, 125, 126] и являющихся постоянным и чрезвычайно опасным источником техногенной трансформации окружающей среды. Решение задач по оценке, прогнозированию и нормированию воздействия ТМО на окружающую среду затрудняется недостаточной изученностью закономерностей этого воздействия. Прежде всего это обусловлено повышенной сложностью механизмов такого воздействия, отличающегося обилием процессов различной природы.
Острота проблемы воздействия ТМО на окружающую среду обусловила появление большого количества публикаций. Оценка воздействия на подземные и поверхностные воды, наряду с разработкой методов снижения этого воздействия, нашли отражение в работах В. М. Гольдберга, Ф. М. Бочевера, В. А. Мироненко, Ю. С. Рыбакова. Вопросы загрязнения почв разрабатывались Ю. Е. Саетом, Э. Ф. Емлиным, Г. А. Вострокнутовым и другими авторами. Несколько иной подход реализован в работе [165], где предложен интегральный критерий, учитывающий многостороннее воздействие (радиоактивное, геохимическое и др.) ТМО на окружающую среду на границе санитарно-защитной зоны. Для определения этого показателя необходимы специальные исследования различных компонентов окружающей среды. Работ по оценке ТМО как источников комплексного загрязнения окружающей среды с выделением определяющих факторов воздействия в настоящее время нет, или они носят односторонний характер. Так, в работе [84] по способности пылевыделения ТМО подразделяются на: неопасные (непылящие), средней опасности (пылящие) и опасные (пылящие и содержащие металлы). В настоящее время не существует также единой классификации объектов складирования отходов по степени воздействия на окружающую среду.
Таким образом, оценка ТМО как источников рассеяния загрязняющих веществ в окружающую среду с выделением определяющих факторов этого процесса и построение на этой основе классификации ТМО является важной научной и практической задачей.
Основными причинами загрязнения окружающей среды являются воздействие на вещество ТМО атмосферных осадков, воздушных потоков, поверхностных вод, температуры, микроорганизмов [186]. Все эти виды воздействий относятся к постоянно действующим внешним факторам, хотя интенсивность и характер их могут значительно изменяться в зависимости от географических, климатических и других причин. Среди внутренних факторов можно отметить химический и минералогический составы, дисперсность, пористость, водопроницаемость и другие.
В результате воздействий внешних факторов и реакции внутренних происходит формирование потоков рассеяния загрязняющих веществ в окружающей среде, основу которых составляют исследуемые металлы. Интенсивность рассеяния зависит как от воздействия внешних факторов, так и обуславливается внутренними характеристиками ТМО. Носителями загрязняющих веществ в окружающую среду от ТМО могут быть воздушные и водные потоки, поэтому уместно говорить об атмогенных и гидрогенных потоках рассеяния.
Формации железорудных месторождений
Окружающая среда представляет собой систему ландшафтов, в которых формируется сочетание специфичных, характерных для данной географической зоны природных элементов [230]. Она состоит из компонентов - структурных подразделений, включающих основные материально-энергетические природные системы абиогенного, смешанного и биогенного происхождения и состава. Природными компонентами окружающей среды являются: геологический субстрат, подземные воды, поверхностные воды, атмосферный воздух, почвы и живые организмы. Жизнедеятельность организмов, в том числе и Человека, тесным образом связана с состоянием остальных сред, поэтому их изучение является весьма актуально, что нашло отражение в многочисленных исследованиях [37,43,141,199,213].
В работах М. А. Глазовской, А. И. Перельмана и других авторов отмечается, что элементы в окружающей среде необходимо рассматривать с позиций, предопределяющих цикличность их поведения, которая заключается в их мобилизации, миграции, рассеянии или концентрации [43,141], то есть с позиций потоков. Основные положения и принципы, необходимые для конструирования моделей миграционных потоков в природных ландшафтах были, сформулированы Ф. И. Козловским [90]. Он разделил природные мигранты на независимые, создающие в ландшафте движущую фазу, и зависимые, переносимые потоками независимых мигрантов. Идеи Ф. И. Козловского, развитые Дж. Фортескью и другими авторами, привели к формированию понятия «интенсивность потока», выраженную количественно и широко применяемую в настоящее время [213]. Таким образом, интенсивность потоков наряду с концентрацией определяет распределение химических элементов в окружающей среде и является важнейшей эколого-геохимической характеристикой.
Наиболее интенсивно элементы мигрируют в атмосфере и гидросфере, включающей поверхностные и подземные воды. В этих средах происходит постоянное движение и обмен элементов. В литосубстрате и почвенном слое химические элементы находятся в иммобилизованном состоянии. Миграция их существенна за геологическое и педологическое время, однако, именно литосубстрат и почвенный слой определяют природную интенсивность атмогенных и гидрогенных потоков химических элементов.
Распределение элементов формируют ассоциации, подчиняющиеся общим геохимическим закономерностям. Ассоциации в геологических и рудных формациях Урала определены геологическим развитием Уральской складчатой области. Их можно разделить на ассоциации сформировавшие рудную минерализацию (концентрационные), приведшие к формированию месторождений рудных полезных ископаемых, и ассоциации, ее разрушающие (потоки рассеяния), создающие современный фон в окружающей природной среде Урала.
Разработке методологии и установлению закономерностей фоновых характеристик загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды различных территорий посвящены работы М. А. Глазовской, Н. П. Солнцевой Ю. Е. Саета, Ю. А. Израэля, В. В. Иванова Г. А. Вострокнутова и других авторов. Под фоновым содержанием загрязняющих веществ в геохимическом ландшафте понимается [160] средняя величина их природной вариации на территориях, не подвергшихся антропогенному воздействию. При оценке воздействия на окружающую среду установление природных фоновых её характеристик в различных компонентах очень важно, так как с одной стороны они являются критерием степени воздействия, а с другой - участвуют в различных расчётах при прогнозировании и нормировании.
Для Среднего Урала с его сложными ландшафтно-геологическими условиями определены только усреднённые характеристики металлов в почвенном слое [30]. Спецификой Уральского региона является наличие неоднородной концентрации металлов в литосубстрате, сформировавшей различные рудные формации, создающие локальный фон в компонентах ландшафта. В связи с этим изучение локального фона широкого спектра металлов, установление их характерных ассоциаций в различных средах, выявление основных факторов, определяющих природное распределение, и их количественная характеристика для Среднего Урала являются актуальными задачами, имеющими важное научное и практическое значение, тесно связанное с оценкой трансформации окружающей среды под воздействием ГМК.
Связи геологического развития и металлогении Урала посвящены труды А. Н. Заварицкого, А. Г. Бетехтина, Н. К. Высоцкого, И. Д. Соболева, Д. С. Штейнберга, Л. Н. Овчинникова, Д. В. Рундквиста, К. К. Золоева. Согласно схеме тектонического и металлогенического районирования Урала [42,74, 155], на исследуемой территории выделяются следующие мегазоны: Тагильская зона главного эвгеосинклинального пояса; Восточно-Уральская и Зауральская. Металлогения этих зон связана с геодинамическими процессами, как предшествующими их заложению, так и последовательно возникшими. Последние формировались на начальногеосинклинальной (океанической), раннегеосинклинальной (островодужной), орогенной (коллизионной) и платформенной (континентальной) стадиях развития. В пределах указанных структур расположены микроконтиненты (срединные массивы) с оруденением, возникшим в результате активизации этих массивов под влиянием процессов, происходивших в собственных структурах складчатого пояса.
