Использование отходов предприятий Пермского края

На протяжении последних десятилетий популярна экологически и экономически оправданная концепция вторичного использования отходов. С 1996 г. в целях реализации Закона № 89-ФЗ «Об охране окружающей природной среды» в России существует Государственная программа «Отходы», основная цель которой – сокращение загрязнения окружающей среды отходами и экономия природных ресурсов за счет максимально возможного вторичного вовлечения отходов в хозяйственное использование. Программа предусматривает снижение объемов образования отходов на основе внедрения малоотходных и безотходных технологий, сокращение видов и объемов токсичных и опасных отходов на основе применения новых технологических решений, повышение уровня использования отходов, их экологически безопасное размещение и др.

В основах государственной политики в области экологического развития России до 2030 г. предполагается раздельный сбор отходов, жёсткие санкции за их ненадлежащую утилизацию, поэтапное введение запрета на захоронение отходов, пригодных к вторичной переработке. В ряде регионов разработаны стратегии обращения с отходами, которые предполагают финансирование преимущественно за счёт внебюджетных средств. В

частности, в Пермском крае в 2016 г. краевым Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства утверждена территориальная схема обращения с отходами производства, в том числе коммунальными.

Достаточная проработка вопросов вторичного использования отходов, прежде всего в строительной отрасли, находит отражение в образовательном процессе. Во многих технических вузах, как правило, для студентов строительных специальностей читаются лекционные курсы по комплексному использованию минерального сырья и отходов промышленности.

Концепция вторичного использования отходов обусловлена постепенным истощением минерально-сырьевых ресурсов, а также появлением новых технологий переработки складированных отходов, что делает отходы пригодными по количеству и качеству для промышленного использования. В рассматриваемом ключе разработан и популярный зарубежный подход «urban mining», при котором городские территории и техногенные отвалы рассматриваются как месторождения будущих ресурсов с оценкой отложенного ресурсного потенциала уже на этапе проектирования производства (Мяки-шева и др., 2016). Лидерами в реализации этого направления являются Германия, Япо- ния, Швейцария и Австрия (Park et al., 2017; Schiller et al., 2016).

Результаты исследований

В общих объемах образования промышленных отходов традиционно ведущее место занимают отходы горнодобывающей отрасли, которая, как правило, технологически совмещается с химической или металлургической переработкой сырья. Предприятием указанного профиля является АО «Березниковский содовый завод» (БСЗ), который осуществляет выпуск соды аммиачным методом и является одним из крупнейших производителей кальцинированной соды в России. Исходным сырьем для производства являются известняки Чаньвинского месторождения и каменная соль Верхнекамского месторождения, используемая для приготовления рассолов.

Аммиачный метод основан на взаимодействии насыщенного водного раствора хлористого натрия и углекислого газа в присутствии аммиака с образованием бикарбоната натрия и последующей его кальцинацией. Источником для получения раствора хлористого натрия служат галитовые отходы калийного производства ПАО «Уралкалий». В 2015 г. на БСЗ внедрена упрощенная схема производства раствора хлористого натрия. Перевозка галитовых отходов до фабрики приготовления рассола заменена на гидротранспорт, что позволило уменьшить количество используемого оборудования и снизить себестоимость раствора. На узле дробления установили станцию приготовления пульпы, где вода и галитовые отходы смешиваются, образуя пульпу, которую перекачивают на фабрику приготовления рассола. В ходе перекачки пульпы в трубопроводе отходы дорастворяются с образованием раствора хлористого натрия. Таким образом, ежегодно утилизируется до 1 млн т галитовых отходов (Пермская …, 2019).

Отходы Чаньвинского карьера известняков. Чаньвинское месторождение (Александровский район Пермского края) разрабатывают карьерным способом, его ежегодная проектная мощность 5 млн т. Добываемый известняк большей частью используется в виде «химического камня» в производстве кальцинированной соды. Вредным компонентом в составе карбонатного сырья является глина, которая присутствует на месторождении во многих формах, составляя основную часть вскрышных пород и материала, заполняющего различные полости внутри массива известняков. Общее количество глины на месторождении довольно велико и по предварительным расчётам составляет порядка 25-35 млн т. При разработке месторождения глинистый материал концентрируется в отвале, который, по существу, представляет собой техногенное месторождение глины (Чаньвинское …, 1999).

Результаты гранулометрического, минералогического и силикатного анализов (табл. 1), общего химического анализа водной вытяжки, а также опытов по определению сушильных свойств, параметров набухания и показателей пластичности крупнообъемной пробы глин из отвала рассматриваемого месторождения дают основание утверждать, что технологические свойства глины, а также ее химический состав удовлетворяют требованиям к сырью для производства керамического кирпича и камней. Однако глины содержат крупные карбонатные включения в количествах, значительно превышающих нормы, вследствие чего без дополнительной обработки (удаления карбонатных частиц фракции более 0,5 мм) не могут быть использованы для производства керамических изделий.

Тем не менее изученные глины без какой-либо предварительной подготовки можно использовать в цементной промышленности для получения (в смеси с карбонатными породами) портландцементного клинкера и для рекультивации породных отвалов шахт Ки-зеловского угольного бассейна. Кроме того, после выделения песков глины могут быть использованы как материал для производства адсорбентов и буровых растворов. Дальнейшие поиски возможностей использования глин месторождения целесообразно вести в направлении обнаружения в них содержаний мелкого и тонкого золота и платиноидов. Перспективно также проведение анализа на содержание алмазов в глинах, заполняющих крупные карстовые формы.

Таблица 1. Минеральный и химический состав глин отвала, мас. %

Минералы	Содержание в пробе		Соединения	Содержание в пробе
	О-1	О-2		О-1	О-2
Каолинит	20	20	SiO 2 / Al 2 O 3	60,20/18,28	56,36/17,89
Монтмориллонит	30	25	Fe 2 O 3 / FeO	6,68/0,50	9,53/0,36
Гидрослюды	8	9	TiO 2	0,71	0,80
Хлорит	< 5	0	MnO	0,08	0,12
Кальцит	3	4	MgO/ CaO	1,37/1,83	1,22/2,68
Кварц	26	30	Na 2 O/ K 2 O	0,31/1,55	0,16/1,45
Полевые шпаты	2	3	P 2 O 5	0,19	0,19
Гетит	4	7	S (общая)	<0,03	<0,03
Гематит	2	2	CO 2	0,65	1,30

Отходы Березниковского содового завода. В процессе производства соды на БСЗ образуется большое количество отходов. При аммиачном способе получения соды в процессе извлечения аммиака образуется хлорид кальция, который, с одной стороны, является важным побочным продуктом, с другой, стороны составляет большую часть отходов производства. В шламонакопители отходы поступают в виде пульпы, в которой преобладает жидкая фаза (до 98 %). Шламо-накопитель расположен на северо-западной окраине г. Березники, на левом берегу Камского водохранилища. Отходы БСЗ складированы в действующей и старой картах шла-монакопителя, которые ограничены дамбами из щебня и дресвы известняка. Площадь действующей карты составляет 155 га, старой – около 89 га. По данным бурения и фондовым материалам, мощность накопленного шлама увеличивается в северо-восточном направлении от 2,5 до 15 м. По ориентировочным расчетам объем шлама в настоящее время превышает 10 млн м3.

Жидкая фаза пульпы из производственного цикла характеризуется сильно щелочной средой (pH 12,3) и минерализацией 179 г/л. В составе содержится значительное количество растворенных ионов – хлоридов, сульфатов, натрия и калия, аммония, миграционная способность которых достаточно велика. В старой карте эти компоненты «вымыты» из складированного шлама за счет инфильтрации атмосферных осадков и отсутствия свежих поступлений с пульпой (табл. 2). Отходы старой карты изучались более детально: проведены полевое определение консистенции и лабораторное

Таблица 2. Химический состав жидкой фазы пульпы отходов БСЗ (Блинов и др., 2004), мг/л

Место отбора	HCO 3 -	SO4 2-	Cl-	NO 2 -	CO3 2-	Ca 2+	Na++K+	NH 4 +	Минерализация	рН
Выпуск из производственного цикла	61,0	7 204,6	106 359,0	3,6	н.о.	41 082,0	25 858,9	204,0	180 773,1	12,3
Западная часть действующей карты	36,6	1 883,8	15 251,9	0,4	51,0	5 511,0	45 35,4	13,5	27 283,6	11,1

Примечания: н.о. – не обнаружено; NO 3 ^-, Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ анализом не обнаружены.

Таблица 3. Химический состав водной вытяжки отходов с поверхности из действующей и старой карт шламонакопителя БСЗ, мг/кг (100 г отходов на 500 мл дистиллированной воды)

Место отбора	Влажность, %	HCO 3 -	SO4 2-	Cl-	NO 3 -	NO 2 -	Ca 2+	Na++K+	NH 4 +	Сумма солей	pH
Действующая карта	82,9	488,1	12348,7	11912,2	90,0	10,5	10822,1	4184,1	13,0	39868,7	11,8
Старая карта	69,9	30,5	305,0	322,6	24,5	2,9	300,6	78,2	5,4	1069,7	10,4

Примечания : CO 3 ^2-, Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ анализом не обнаружены.

определение влажности отходов, рентгеноструктурный и спектральный анализы, а также анализ водной вытяжки отходов (табл. 3).

По данным рентгеноструктурного анализа, преобладающим минералом складированных отходов БСЗ является кальцит, находящийся в кристаллическом (до 58 %) и скрытокристаллическом состояниях (до 70 %). Его общее количество находится в пределах 79–97 %, причем наибольшее содержание характерно для верхнего слоя мощностью 1–1,5 м. Помимо кальцита в шламе в небольших количествах присутствуют другие карбонаты – арагонит (1– 2 %), доломит (до 1 %). Кроме того, в значительных количествах содержится гидроксид кальция (Блинов и др., 2004). Для детального определения состава минеральных примесей карбонатную и щелочную составляющую шлама (кальцит, арагонит, портландит и др.) растворили в HCl. Оставшаяся часть шлама (1–6 %) состоит из геленита – алюмосиликата кальция (30–31 %) – и кварца (10– 17 %), присутствуют гематит, плагиоклаз, микроклин.

Возможность использования отходов БСЗ для нейтрализации шахтных вод . Кислые шахтные воды и стоки породных отвалов Кизеловского угольного бассейна являются одной из острых экологических проблем Пермского края. Согласно опубликованным данным, объем поступления основных загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты Кизеловского угольного бассейна в 2016 г. составил (т/год): сульфатов – 44 888; общего железа – 15 896; алюминия – 535; марганца – 172; цинка – 4,43 (Доклад …, 2017). Анализ данных многолет них наблюдений указывает на зависимость объемов поступлений загрязняющих веществ от количества атмосферных осадков. В отдельные годы возможно увеличение поступлений на 30–50 % в сравнении со средними многолетними значениями.

Очистка шахтных вод на основе механизма геохимического барьера возможна с применением в качестве реагента отходов БСЗ (Блинов и др., 2003 а). Опытнопромышленное опробование метода дало положительные результаты, подтвержденные независимой экспертизой. В результате нейтрализации рН шахтной воды повышается с 2,5 до 6–7, что удовлетворяет требованиям нормативов всех видов водопользования. В шахтных водах значительно снижается содержание основных загрязнителей. Эффективность очистки от железа и алюминия составляет 90–95 %. Содержание бериллия, цинка, никеля, кобальта, меди, превышающих ПДК в шахтных водах, снижается до значений, удовлетворяющих требованиям к водоемам хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (Блинов и др., 2003 б). Образующийся осадок можно использовать в качестве добавок к сырью на металлургических и цементных заводах.

Предлагаемый метод эффективен, прост в применении, не требует значительных капитальных затрат. Кроме того, результаты первых предварительных лабораторных исследований и экспериментов показали возможность использования отходов БСЗ для нейтрализации стоков медедобывающих шахт.

Возможность использования отходов БСЗ для рекультивации серно-кислых ландшафтов. В районах добычи и переработки полезных ископаемых, содержащих серу, большое распространение получили сернокислые ландшафты. В поверхностных условиях происходит окисление сульфидов и органической серы, в результате чего формируется кислая реакция среды. Составными частями серно-кислого ландшафта на территории Кизеловского угольного бассейна являются нарушенные земли, представленные зонами влияния отвалов и промплощадок, участками прежнего сброса кислых шахтных вод.

Общая площадь нарушенных земель измеряется сотнями гектаров. Проведены лабораторные и натурные эксперименты по восстановлению данных площадей. В процессе эксперимента при совместном использовании отходов БСЗ и активного ила ПАО «Метафракс» на опытном участке площадью 150 м2 (участок сброса кислой воды шахты «Широковская» Кизеловского угольного бассейна) был создан почвенногрунтовый слой, на котором в оптимальном соотношении развивались злаки (канареечник) и бобовые (клевер) с фитомассой, соответствующей зональным суходольным паст- бищам (Доможирова, 2005). Проведенные исследования доказали экологическую безопасность растений (табл. 4). Сопоставление полученных концентраций с максимально допустимым уровнем (МДУ) показало, что концентрации химических элементов в фитомассе, выращенной в опытах, в целом не представляют экологической опасности, поскольку содержания не выходят за рамки природно-фоновых (Блинов и др., 2003 б). Незначительное превышение МДУ содержания Cr, V, Ti и Sr имеет тенденцию к снижению на второй год наблюдений. Предлагаемый метод эффективен и экономичен, т.к. использование промышленных отходов снижает стоимость мероприятий в 4–6 раз. По результатам этих исследований получен патент (Способ …, 2006).

Таблица 4. Содержание микроэлементов в сухой массе растительности на участке прежнего водоотлива шахты «Широковская»

Вид растительности (год)	Содержание микроэлементов, мг/кг сухой массы
	Ni \	Co	Cr	Mn   \	V \	Ti    \	Cu   \	Zn   \	Mo \	Ba	Sr	Zr
Участок относительного фона
Злаковая	2,9	0,3	0,0	286,2	1,0	9,5	8,6	28,6	0,9	47,7	28,6	4,8
Бобовая	2,4	0,0	0,0	308,0	0,8	8,0	5,6	8,0	0,2	47,8	15,9	3,2
Участок с оптимальным внесением реагента
Злаковая	3,3	0,3	1,1	110,0	1,7	16,5	11,0	22,0	0,6	16,5	44,0	5,5
(1 год/2 год)	1,4	0,5	0,7	270	1,0	14	6,1	4,7	0,1	34	20	1,4
Бобовая	7,4	0,6	1,8	122,6	1,2	18,4	11,0	49,0	0,9	18,4	61,3	4,9
(1 год/2 год)	4,3	0,8	1,1	217	1,1	16	9,8	9,8	0,5	43	33	2,2
Максимально допустимый уровень*	5,0	1,0	1,0	300,0	1,5	10,0	30,0	60,0	1,0	190,0	37,0	10,0

Примечание: * МДУ по Кабата-Пендиас и др. (1989).

Возможность использования отходов БСЗ для раскисления почв. Кислые почвы занимают обширные площади пахотных земель в России, это особенно касается ВолгоВятского, Уральского районов, Западной и Восточной Сибири. В Пермской сельскохозяйственной академии проведены исследования по возможности использования отходов БСЗ для раскисления почв (Шапошников и др., 2005). Удалось добиться улучшения агрохимических свойств и плодородия почв, повышения урожайности культур.

Использование отходов БСЗ в производстве сухих строительных смесей. Твердые отходы содового производства перспективны для использования в составе сухих строительных смесей в качестве наполнителя, т.к. имеют подходящий гранулометрический и химический состав. Проблема подготовки отходов заключается в удалении из их состава растворимых хлоридов и влаги. При хранении шлама «белого моря» под воздействием атмосферных осадков происходит вымывание растворимых хлоридов из поверхностного слоя, содержание становится допустимым для строительных материалов. Специа- листами БСЗ была изучена кинетика сушки шлама: при уменьшении влагосодержания ниже критического (19–22 %) шлам становится сыпучим. На основании этого выбрано подходящее оборудование, предложено использовать барабанную сушилку, а в качестве сушильного агента – топочные газы от сжигания природного газа (Шапошников и др., 2005).

Перспективно проведение исследований по использованию дистиллерной жидкости (пульпы) в производстве асбестоцементных изделий, тампонажных композиций нефтяных скважин, расширяющих добавок для портландцемента, а также для получения пероксида кальция (Вагапов и др., 2012; Константинова и др., 2013).

Солеотходы Верхнекамского месторождения. Современная мировая калийная промышленность ежегодно производит 4042 млн т продукции, на которую приходится 100–120 млн т твердых отходов в виде галитовых хвостов и глинистых шламов и примерно такое же количество избыточных рассолов (Комаров, 2016).

Согласно данным официального доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Пермского края» в нашем регионе на конец 2017 г. накоплено 816 мнл т отходов, в том числе на объектах ПАО «Уралкалий» – 612,2 млн т. Общая площадь объектов размещения отходов калийной промышленности в Пермском крае, по данным анализа космических снимков 2017–2018 гг., составляет более 1300 га и включает объекты ПАО «Уралкалий» и ООО «ЕвроХим – Усольский калийный комбинат».

Одним из рекомендованных государственным стандартом (ГОСТ Р 55100–2012) в области ресурсосбережения способов обращения с отходами горнодобывающей отрасли с учетом доступности технологии является закладка выработанного пространства подземных горных выработок. Эти мероприятия рассматриваются как одна из стадий технической рекультивации, обеспечивающая снижение затрат на транспорт отходов, платежей за изъятие земель, воздействие на компоненты окружающей среды (ИТС …, 2016).

Обобщенные данные по ПАО «Уралкалий» показывают, что закладочные работы являются основным способом использования крупнотоннажных отходов калийной промышленности с направленной тенденцией роста в последние годы (табл. 5). Указанное обусловлено эффективностью обеспечения экологической безопасности отработки солей – сочетанием защиты подземного пространства рудников от затопления, уменьшения оседания земной поверхности, сокращения площадей солеотвалов и шламохрани-лищ, расширение которых требует значительных финансовых вложений. Разрабатываемые технологии твердеющей закладки (Шкуратский и др., 2015) направлены и на увеличение извлечения солей за счет сокращения междукамерных целиков.

Таблица 5. Образование и использование отходов ПАО «Уралкалий» (по данным докладов

«О состоянии и об охране окружающей среды Пермского края»)

Год	Объем образования отходов, тыс. т	Использование для приготовления раствора NaCl, тыс. т	Гидрозакладка галитовых отходов и глинистосолевых шламов, тыс. т	Всего использование образуемых отходов, %
2017	32 697	990	13 480	44,25
2016	30 153	910	11 306	40,52
2015	31 272	910	9 560	33,48
2014	34 767	857	6 010	19,75
2013	28 145	842	10 000	38,52
2012	26 705	10 200		38,20
2011	30 059	400	8 300	28,94

В рамках реализации комплексного использования сырья при производстве калийных удобрений осуществляется приготовление рассолов для нужд содового производства, производство технической соли и отгрузка неочищенной технической соли. Шламовые составляющие могут быть использованы в качестве добавок к цементным растворам и бетонам. Кроме того, запатентованы методы извлечения ряда ценных компонентов – золота, платины и других благородных металлов, алмазов, лечебных грязей (Батурин и др., 2012). В глинисто-солевых шламах СКРУ–1 в существенных количествах установлен Sc (Сметанников и др.,

2019), который востребован ядерной энергетикой, космической и авиационной промышленностью. Элемент связан с минералами кальция (гипсом, доломитом, апатитом) нерастворимого осадка солей.

За последнее десятилетие значительно вырос спрос на литий, поскольку этот элемент стал ключевым для развития производства целого ряда промышленных продуктов, особенно аккумуляторов для электронных устройств и электромобилей. Кроме того, отмечена возрастающая потребность в этом элементе стекольной и керамической промышленностей, обусловленная сокращением энергетических затрат и облегчением об- работки продукции при использовании Li (Talens Peiro et al., 2013). При этом в последние 50 лет существенно изменилась структура природных источников его добычи, и в настоящее время за рубежом до 70 % извлечения этого элемента осуществляется за счет эксплуатации рассолов бессточных соляных озер. Поэтому исследования солео-тходов и глинисто-солевых шламов на содержание этого металла перспективны.

Отходы ЦБК в г. Краснокамске. Размещение отходов целлюлозно-бумажного производства на участке правобережья р. Камы в месте впадения ее притока р. Малая Ласьва началось в 30-е гг. прошлого столетия после строительства Камского целлюлозно-бумажного комбината. С началом строительства этого предприятия связано основание г. Краснокамска. В середине 1990-х гг. складирование отходов деревообработки здесь прекращено. В настоящее время площадь короотвала составляет порядка 22 га, общий объем отходов коры и щепы – около 4 млн т. Периодически происходит возгорание отходов, что приводит к задымлению и загрязнению атмосферного воздуха жилой части г. Краснокамска. Так, крупный пожар произошел в марте 2011 г., когда площадь возгорания составила 17 га. По официальным данным Федеральной службы по надзору в сфере природопользования, короотвал включен в Федеральный реестр объектов накопленного экологического вреда. Таким образом, этот объект подлежит обязательной ликвидации с последующим восстановлением территории (Федеральная …, 2019).

Данные инженерно-геологического бурения (табл. 6) позволяют обобщенно оценить вещественный состав короотвала. Наибольшая мощность отходов отмечена в его центральной части и достигает 20 м. Подстилающими грунтами выступают аллювиальные гравийно-галечные отложения. Отвал сформирован отходами деревообработки от щепы до тонкого опила различной степени разложения, в отдельных скважинах отмечено присутствие строительного мусора. Степень разложения древесных отходов позволяет говорить о его внутреннем зональном строении. Наибольшей степенью разложения характеризуются средние слои отвала в интервале глубин 3,5–11,5 м, где древесные отходы имеет более мелкий размер, формируют комковатые агрегаты, окраска вещества темная, почти черная. Нижние слои отвала наряду с опилом обогащены гравийногалечным материалом, древесные отходы здесь характеризуются более низкой степенью разложения, что отражается в доминировании светло-серой окраски в сравнении со средней зоной. Вещество отвала влажное, на отдельных горизонтах содержит свободную воду.

Таблица 6. Обобщенные данные инженерно-геологического бурения короотвала ЦБК в г. Краснокамске

Участок короотвала	Номер скважины	Глубина до грунтов основания, м
Прибрежная зона р. Камы	1	14,45
	2	15,55
	3	4,50
Центральная часть	4	19,75
	5	14,25
	6	18,20
	7	14,45
Северная часть	8	11,45
	9	12,10

Очевидно, что переработка отвала возможна за счет привлечения инвестиций. Согласно опубликованным данным (Ширинкина, 2014), существуют следующие группы методов использования кородревес- ных отходов: термические (сжигание с целью получения тепла, пиролиз с производством древесного угля, газификация с получением генераторного газа); химические (экстракция с извлечением хвойного воска и дубильных веществ, гидролиз с получением спиртов, дрожжей и других продуктов); биологические (компостирование с получением удобрений и рекультивационных материалов).

С учетом высокой влажности и длительности хранения отходов ЦБК в Краснокамске наиболее реально биологическое направление их использования. Такие технологии разработаны для создания плодородного слоя при рекультивации нарушенных земель под лесохозяйственное использование, а именно для коры длительного срока хранения созданы технологии с дополнительной микробиологической переработкой и последующим применением в качестве рекультивационного материала для нарушенных земель промышленных объектов, благоустройства территорий или производства удобрений. Детальные исследования рассматриваемых кородревесных отходов с целью их дальнейшей утилизации выполнялись и специалистами ЕНИ ПГНИУ (Кудряшов и др., 2005).

Сталеплавильные шлаки АО «Мотовилихинские заводы» . Металлургический шлак, покрывающий при плавильных процессах поверхность жидкого металла, играет важную роль в металлургических процессах – усваивает всплывающие примеси, защищает металл от вредного воздействия газовой среды печи и др. Он формируется из флюсовых добавок к рудному сырью, золы топлива, всплывающих продуктов физикохимических реакций плавления, подлежащих удалению. Из металлургических шлаков традиционно широко используются доменные шлаки – прежде всего в качестве строительных материалов при изготовлении бетонных и шлакобетонных изделий, производстве цемента, дорожно-строительных работах. Сталеплавильные шлаки применяются значительно меньше. При этом удельный выход только сталеплавильного шлака составляет в среднем от 150 до 200 кг/т стали, что соответствует ежегодному увеличению шлаковых отвалов в масштабах всей планеты на 200–300 млн т (Паршин, 2013).

С целью возможного вторичного использования авторами были исследованы металлургические шлаки отвала ООО МЗ «Кама- сталь», которое производит в холдинге ПАО «Мотовилихинские заводы» сталь, штамповки, горячекатанный сортовой прокат. Отвал расположен на первой левобережной надпойменной террасе р. Камы.

Шлаковый материал из отвала представляет собой гетерогенный грунт черного цвета с обломками кирпича, угля, кусками шлакового материала разной степени разрушения, полиэтиленовой пленки, металлической проволоки, галькой и древесными остатками. Согласно данным ситового анализа, в составе шлакового материала отвала преобладают три фракции - > 10 мм, 0,5–0,25 мм, < 0,1 мм, содержания которых количественно очень близки и составляют 17 %. По ГОСТ 25100–2011 грунты отвала относятся к классу дисперсных грунтов, подклассу несвязных, подгруппе антропогенно образованных грунтов техногенного типа. Гранулометрические разновидности данных грунтов выделяются по аналогии с природными грунтами, и по вышеуказанному документу материал отвала соответствует гравелити-стым пескам, по показателю неоднородности гранулометрического состава (C u ) грунты неоднородные.

Визуальный анализ состава различных фракций в грунтах отвала (табл. 7) показал явное преобладание шлакового материала, содержание которого в крупноразмерных (более 2 мм) фракциях составляет 60–66 %, фракциях менее 2 мм – 10–29 %. Как в крупных фракциях, так и в мелкоразмерных преобладают окисленные разновидности ржавой окраски со значительным содержанием металлической составляющей.

Кроме шлакового материала в отвале присутствуют обломки строительных материалов - бетона, кирпича, стекла (суммарное содержание до 17 %), в мелкоразмерных фракциях отмечено высокое содержание кварца (до 73 %). Присутствие полевых шпатов, гранатов обусловлено разрушением исходных материалов и включений. Исходя из особенностей вещественного состава отдельных фракций, отвал использовался не только для размещения шлаков, но и как полигон для складирования строительного мусора, а также мусора при уборке территории предприятия.

Таблица 7. Вещественный состав грунтов отвала, % в соответствующей фракции

Компоненты	Фракции, мм
	˃ 10	5–10	2–5	2–1	1–0,5	0,5–0,25	0,25–0,1
Техногенные продукты
Кирпич	6,2	2,4	1,3	1,2	2,4	0,5	–
Уголь	2,78	1,66	4,89	2,0	2,6	2,6	1,2
Стекло	–	1,0	0,45	–	–	–	–
Древесина	0,68	2,16	7,4	8,6	6,2	9,3	15,6
Обломки бетона	11,45	5,68	–	0,6	–	–	–
Магнитные сфе-рулы	–	–	–	1,8	0,8	0,6	–
Шлак	65,98	63,39	60,39	28,8	26,0	10,0	20,0
Минералы и горные породы
Кварц	–	–	–	47,0	54,2	73,2	58,8
Руда	5,74	0,79	–	6,8	4,4	0,4	0,4
Гранаты	–	–	–	–	0,2	0,4	0,8
Карбонаты	7,17	17,15	18,13	3,2	1,4	1,8	2,4
Полевые шпаты	–	5,77	5,44	–	1,8	1,2	0,8

Примечание: характеристика крупнозернистой фракции (более 2 мм) дана на основе метода определения крупнозернистых включений с использованием весов; состав фракций 2–0,1 мм охарактеризован с использованием количественного минералогического анализа (в дорожке из 500 зерен).

Согласно данным силикатного анализа, состав шлакового материала отвала характеризуется преобладанием диоксида кремния – 70,3 %, значительным содержанием оксидов железа - до 12,9 % общего железа с практически равным содержанием двухвалентной и трехвалентной форм. Содержание оксида алюминия - 4,8 %, оксида магния и кальция 2,37 и 1,75 % соответственно. Присутствуют TiO 2 , P 2 O 5 , щелочи (Na 2 O и K 2 O) и др. Потеря при прокаливании 6,47 %. Величина модуля основности шлакового материала низкая и составляет - 0,02, что обусловлено особенностями складируемого материала – сочетание измененных в поверхностных условиях шлаков и строительного мусора.

Согласно данным рентгенофазового анализа, основа минерального состава представлена кварцем (более 50 %), в равных количествах (10–15 %) присутствуют гематит и кальцит. Кроме того, отмечены магнетит, кристобалит, шамозит, реликты полевого шпата (первые проценты). Полученные данные в целом соответствуют анализу вещества отвала под бинокуляром. В составе грунтов отвала определены следующие микроэлементы (мг/кг): Mn, Cr и Zn (3000), Ti (2000), P (700), Ni и Сu (500), Ba и Zr (400), Pb (300), As и Sr (менее 100), V (90), Mo (60), Sn (50), Y (30), Sb (менее 30), Co и W (20),

Ga (15), Nb и Cd (10), Sc (4), Yb (3), Ge (1,8), Be (1), Ag (0,7). Водная вытяжка грунтов характеризуется нейтральной средой и незначительным содержанием водорастворимых солей (до 1,5 г/кг). Среди определенных микроэлементов в водорастворимой форме присутствуют (мг/кг грунта): Cu – до 0,5; Zn –до 0,08; Cr – до 0,01.

Согласно проведенным исследованиям, шлаковый материал из отвала представляет собой гетерогенный грунт, сложенный измененными в поверхностных условиях шлаковым материалом, строительным мусором и составляющими металлургического процесса. Присутствие посторонних засоряющих примесей в сочетании со значительной потерей при прокаливании (6,47 %) и значительным содержанием оксидов железа ограничивает его использование в качестве сырья для производства строительных материалов.

Таким образом, важнейшее значение в схеме вторичного использования отходов приобретает их раздельное складирование. Минералогический анализ исходного шлака с производства показал преобладание в его составе ларнита (ортосиликата кальция – Ca2[SiO4]), что в сочетании с высоким модулем основности (CaO/SiO2 – 1,98) позволяет отнести его к самораспадающимся шлакам. Последние способны изменяться в гиперген- ных условиях с течением времени и формировать фазы, пригодные к использованию в производстве цемента.

С учетом минимизации воздействия на окружающую среду наиболее рациональным путем использования сталеплавильных шлаков будет исключение из технологической цепочки сталеварения вывоза шлаков в отвалы и организация их переработки прямо на производстве. Такие работы реализованы на базе ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина» для переработки жидких сталеплавильных шлаков (Паршин, 2013). При этом промышленное внедрение технологии обеспечит снижение себестоимости стали на 65– 88 руб./т. Полученный щебень из шлаков не требует вылеживания в отвалах, дает ценную товарную фракцию 5–40 мм с низкой влажностью (до 3 %).

Именно направления так называемого «бесшлакового» производства стали с максимальной оптимизацией технологических процессов и организацией переработки шлаков непосредственно на сталелитейном производстве активно реализуются по многих странах мира (Češnovar et al., 2019; Dervis et al., 2019; Dippenaar, 2004; Jiao Ma et al., 2018).

Заключение

В настоящее время в Российской Федерации научные разработки использования отходов различных отраслей ведутся на региональном уровне, на отдельных предприятиях, в созданных в последние годы ассоциациях и т.п. При этом проекты направлены на экономически обоснованную переработку отходов. Однако значительная часть уже созданных разработок остается нереализованной из-за отсутствия материальных и финансовых средств на развитие перерабатывающих производственных мощностей.

По опыту зарубежных стран толчком в развитии этого направления должны стать государственные меры экономического стимулирования и экономического воздействия – платежи за загрязнение окружающей среды, штрафы и санкции за нарушение экологического законодательства и т.п. Решение проблемы переработки многотоннажных и многокомпонентых отходов, а также отхо- дов, требующих создания специализированных предприятий по их переработке, возможно в рамках региональных и федеральных программ. Решению задачи использования отходов многочисленных предприятий Пермского края, несомненно, способствует использование научного потенциала двух национальных исследовательских университетов края.