Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Юрга является одним из развитых культурно-промышленных городов Кузбасса. Перевод названия Юрга с татарского как «яма» обусловлен особым географическим положением города – на Западно-Сибирской равнине, в понижении ландшафта, что делает актуальной проблему борьбы с загрязнениями окружающей среды, т.к. выбросы с промышленных предприятий скапливаются над городом. Роль градообразующего предприятия многие годы выполнял ООО «Юргинский машзавод», к основным направлениям производства на котором можно отнести металлургию и машиностроение. В последнее время предприятие находится в сложной экономической ситуации, и вследствие этого, как следует из ряда литературных источников [4], гораздо меньше внимания уделяется контролю за выделяемыми в окружающую среду токсичными веществами. Нами была предпринята попытка анализа влияния некоторых негативных факторов металлургического производства ООО «Юргинский машзавод» как источника воздействия на окружающую среду г. Юрги.

Металлургическое производство ООО «Юргинский машзавод» загрязняет окружающую среду за счёт газообразных выбросов, сточных вод и шлаков. В таблице 1 представлены газообразные выбросы металлургического производства по литературным данным [7].

Таблица 1 – Газообразные выбросы металлургического производства

Основными операциями, регламентирующими газообразные выбросы металлургического предприятия, являются выплавка, разливка стали, и загрузка шихтовых материалов в печь. В электродуговых печах на каждую тонну жидкой стали образуется 10–20 кг пыли, содержащей соединения железа, марганца, алюминия, кремния, магния, хлора, хрома и фосфора. По статистике, загрязнение окружающей среды в зависимости от господствующих ветров ощущается в радиусе 20–50 км. На 1 м² этой территории выпадает 5–15 кг/сутки пыли [1].

В рамках данного исследования нами проводилось изучение химического состава воздуха рабочей зоны в соответствии с руководством Р 2.2.2006-05 «Руководство по гигиенической оценке, факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда» [6] и ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» [2]. Результаты анализа химического состава воздуха рабочей зоны сталевара при разливке жидкой стали и загрузке шлака для транспортировки показывают, что содержание оксида марганца (II), оксида свинца (II), оксида кремния (IV) в воздухе рабочей зоны значительно превышает ПДК. Из остальных изученных веществ отмечено наличие оксида серы (VI), оксида углерода (II), оксида азота (IV), аммиака, их уровень не превышает ПДК.

Используя данные расчётов мощности выбросов пыли, содержащей диоксид кремния, представленные в работе сотрудников ГП «ГПИ Кривбасспроект» [10], нами были определены расчётные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу с поверхности шлакоотвала, где шлак складируется на открытом пространстве, без каких-либо укрытий. Расчеты приземных концентраций загрязняющих веществ проводили согласно «Методике расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятия. ОНД-86» [8].

Шлакоотвал относится к площадным источникам, который можно представить в виде совокупности N равномерно рассредоточенных одиночных источников. Значение N рассчитывается по формуле:

                                                          ,                                                                 (1)

где      S – площадь рассматриваемого объекта, м²;

25 – статистический коэффициент, с/м;

u – расчётная скорость ветра, м/с;

L – расстояние от центра объекта до точки расчёта, м.

Рассчитанное значение составило 31 250 000, следовательно, для точек, находящихся от центра шлакоотвала на расстояниях, больших 5,6 км источник можно рассматривать как одиночный точечный. В этом случае мощность выброса М (г/с), соответствующая заданному значению максимальной концентрации с_м (мг/м³),определяется по формуле:

                                             ,                                                    (2)

где      Н – высота устья источника выброса, для наземных источников принимается равной 2 м;

А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, на территории Сибири равен 200;

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе, для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы), для которых скорость упорядоченного оседания практически равна нулю, равен 1;

m и n – коэффициенты. учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы) на шлакоотвалах, принимаются равными 1;

η – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км равен 1;

ΔT – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающего атмосферного воздуха, в данном случае равна 1;

V₁ – расход газовоздушной смеси, который определяется с учётом числа равномерно рассредоточенных одиночных источников.

Расчётная мощность выбросов пыли в атмосферу составила: при работе двух бульдозеров – 2,62 т/год, при работе экскаватора – 0,118 т/год. При статическом хранении шлаков на территории отвала расчётный выброс пыли, содержащей диоксид кремния, значителен и достигает 11,98 т/год (без учёта выбросов автотранспорта). Результаты расчётов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Суммарные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

Анализ литературных данных [7, 9] также свидетельствует о существенном негативном влиянии шлаковых отвалов металлургических заводов на водные объекты, атмосферу и почву. Влияние проявляется в изменении химического состава вод, минерального и микрокомпонентного состава донных отложений; в атмосферу происходит выброс высокотоксичных и канцерогенных веществ.

Основным загрязняющим веществом, выбрасываемым в атмосферный воздух при разработке шлакоотвалов, является неорганическая пыль, содержащая диоксид кремния. Выбросы пыли в ходе разработки отвальных шлаков имеют место при работе бульдозеров и экскаватора, транспортировке самосвалами и статическом хранении шлаков на территории отвалов из-за ветров, а также при погрузке шлаков в вагоны. Движение автотранспорта на участке отвалов обусловливает загрязнение атмосферного воздуха пылью и токсичными примесями выхлопов двигателей внутреннего сгорания. Пыль выделяется при взаимодействии колес автотранспорта с полотном дороги и сдуве ее с поверхности материала в кузове машины. Кроме того, хранящиеся на открытом воздухе шлаки подвергаются действию осадков и водяных паров, находящихся в воздухе. Газообразные выбросы от шлаков, образующиеся в результате контакта с водой, представляют большую экологическую опасность. В результате процесса выщелачивания компоненты из шлаков реагируют с водой и создают взрывчатые, ядовитые газы и/или газы с неприятным запахом: водород (H₂), метан (CH₄), аммиак (NH₃), фосфин (PH₃) [3].

Результаты расчета рассеивания показали, что расчетные приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе соответствуют  границе санитарно-защитной зоны. Поэтому нельзя допускать нарушения санитарно-защитной зоны, которая для электросталеплавильных шлакоотвалов составляет 500 м, а также необходимо проводить постоянный контроль запыленности атмосферного воздуха на участке отвала.

Годовой выход шлака V_г текущего производства ООО «Юргинский машиностроительный завод» складывается из объёмов производства цехов 10 и 11 и рассчитывается по формуле (3).

                                                   ,                                                          (3)

где      V_пм – объём производства стали в месяц, т; В_шл – выход шлака.

Для цеха 11: V_г = 3000·12·0,1 = 3600 т/год;

Для цеха 10: V_г = 600·12·0,1 = = 720 т/год, итого 4320 т/год, что при плотности 2 т/м³ составляет объём 2160 м³. Общий объём шлакоотвала на начало 2014 г. составляет 865,8 тыс. т. При хранении отходов происходят процессы, изменяющие свойства исходной отвальной массы, например, химический, минеральный и гранулометрический составы, прочность, плотность и др.

Шлакоотвал ООО «Юргинский машиностроительный завод» представляет собой площадку, расположенную за пределами территории предприятия площадью примерно 0,5 км². Шлакоотвал находится в городской черте, нарушая ландшафт (рисунок 1) и отчуждая дефицитные земельные ресурсы.

Рисунок 1 – Шлаковый отвал ООО «Юргинский машиностроительный завод»

Эксплуатация шлакоотвала продолжается с 1943 г. Высота слоя шлака составляет более 30 м, шлак хранится навалом, насыпью, в виде гряд. Шлакоотвал охраняется, свободный доступ исключён.

Накопление токсичных техногенных веществ при эксплуатации приводит к ломке и перестройке структуры ландшафта и его деградации. Общая схема нарушения ландшафта под влиянием металлургических шлаков следующая: ограничение видового разнообразия в элементах ландшафта – выпадение элемента – ломка структуры компонента ландшафта по пути его упрощения – выпадение компонента ландшафта – ломка вертикальной и горизонтальной структур ландшафта, упрощение его морфоструктуры за счет выпадения и образования техногенно трансформированных морфологических частей – нарушение массоэнергообмена в ближайшем окружении ландшафта (нарушение водного режима, усиление массопереноса – эрозия) – уменьшение запаса жизни – снижение либо полная потеря биогеогоризонтов и т.д., переход на менее устойчивый уровень. Нарушения структуры ландшафта происходят под влиянием механических, термических и химических воздействий. При воздействии металлургических производств трансформации ландшафтов настолько сильны, что их дальнейшее развитие идет в сторону более просто организованной биоты. Например, на расстоянии от 500 до 1000 м от шлакоотвала широколиственные деревья отсутствуют, подрост с преобладанием клёна мелкий, групповой, сомнительного состояния. На 300-500 м от шлакоотвала подрост из клена и акации в основном мелкий, неблагонадежный, располагается одиночно и неравномерно. Очевидно, что это вызвано отрицательным воздействием шлакоотвала. На расстоянии до 300 м от шлакоотвала подроста нет совсем. Его отсутствие напрямую связано с близостью шлакоотвала. По мере приближения к шлакоотвалу густота подроста снижается до полного исчезновения, а состояние его ухудшается.

Почвенно-растительный слой на территории отвала металлургических шлаков отсутствует. Поэтому по окончании эксплуатации отвала его территорию необходимо рекультивировать. Отвалы и свалки занимают огромные полезные площади, не говоря уже о нагрузке на окружающую среду. Основной путь сокращения объема складирования отходов - их вторичное использование.

С целью решения ресурсоэффективности мы предлагаем осуществлять комплексную переработку шлака, для чего использовать комплекс по переработке металлургического шлака 794-01 [5]. Назначением комплекса по переработке металлургического шлака (рисунок 2) является рассев шлака на составляющие (фракции): крупную ≤300 мм, мелкую ≤20 мм, с последующей магнитной сепарацией крупной фракции с целью выделения железосодержащих частей шлака. Образующиеся при этом продукты рассева и сепарации могут использоваться в качестве сырья в строительстве и металлургии. Комплекс по переработке металлургического шлака позволяет выделить из шлака металлосодержащие концентраты, которые будут возвращаться в сталеплавильное производство. Оставшийся после переработки фракционный шлак можно использовать при строительстве дамбы шлакохранилища, а также отгружать потребителям для отсыпки автомобильных дорог, рекультивации карьеров и угольных разрезов. Таким образом, использование комплекса увеличит общий объем переработки шлаков до 80%.

                          а                                                                      б

Рисунок 2 – Комплекс по переработке металлургического шлака 794-01: а – общий вид; б – модульная схема работы

Состав оборудования комплекса: корбут с приводом; бункер загрузочный; питатель кривошипно-шатунного типа; конвейер ленточный для фракции ≤ 300; конвейер ленточный для фракции ≤ 20; подвесной магнитный конвейер для фракции Fe≤300; сито горизонтальное (грохот); рама. Основные характеристики комплекса приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные технические характеристики комплекса по переработке металлургического шлака 794-01

Одной из главных экологических проблем Кемеровской области, и, в частности, г.Юрги, является минимизация техногенного воздействия металлургических предприятий на окружающую среду. В ходе выполнения исследования был оценён вред, наносимый окружающей среде от шлакоотвала металлургического производства, а также предложены мероприятия по снижению негативного воздействия металлургических шлаков на объекты окружающей среды. Тем не менее важно продолжить работу в направлении поиска способов вторичного использования металлургических шлаков в промышленном производстве, что будет способствовать улучшению экологической обстановки в городе Юрга.