Мониторинг и оценка пылевыделения с поверхности хвостохранилища АНОФ-2 ОАО «Апатит»

Интенсивное развитие промышленности, увеличение населения в городах и промагломерациях, высокие темпы роста технологического прогресса – всё это неизбежно приводит к образованию огромного количества отходов, значительная доля которых принадлежит горнодобывающей и горно-перерабатывающей отраслям промышленности [1]. Ежегодно в мире миллионы гектаров плодородных земель отчуждается под временное размещение и складирование отходов горной промышленности. Только в России в 2010 г. площадь земель, нарушенных в результате складирования этих отходов, составила более 4 миллионов гектаров, что привело к ухудшению санитарно-гигиенической обстановки на данных территориях, повышению заболеваемости и смертности населения, уменьшению видового разнообразия животных и растений, нарушению и видоизменению естественных ландшафтов, а также утрате природных ресурсов. Таким образом, накопление отходов добычи и переработки полезных ископаемых и их воздействие на компоненты природной среды является на сегодняшний день одной из главных экологических проблем минерально-сырьевого комплекса, а проведение экологического мониторинга крупных техногенных месторождений – крайне актуальным для разработки эффективных средозащитных мероприятий [3].

Особенно значительной трансформации в условиях высокой антропогенной нагрузки подвергаются ландшафты в северных широтах. Северные экосистемы под действием техногенных источников легко разрушаются, так как имеют низкий потенциал самоочищения и самовосстановления [2]. В этой связи остро встаёт вопрос о необходимости разработки и внедрения комплексных программ экологического мониторинга компонентов окружающей природной среды, а так же о необходимости формирования современных технологических решений в области переработки вторичного сырья с целью уменьшения количества складируемых отходов и снижения техногенной нагрузки на экосистемы промышленных регионов севера [3].

Примером интенсивного накопления и складирования отходов горно-перерабатывающего производства в высоких широтах является хвостовое хозяйство второй апатит-нефелиновой обогатительной фабрики (АНОФ-2), являющейся структурным подразделением ОАО «Апатит» и пущенной в эксплуатацию в 1963 году. Рассматриваемое предприятие расположено в центральной части Кольского полуострова и является одним из крупнейших в мире по добыче и переработке апатит-нефелиновых руд. Хвостохранилище АНОФ-2 расположено в губе Белой озера Имандра на расстоянии 8,1 км от промплощадки обогатительной фабрики и в 9 км к северо-западу от города Апатиты. Данное хвостохранилище является одним из крупнейших в России по площади и объему, его общая площадь составляет 7,8 км2, а периметр по дамбе обвалования - 11 550 м. Территория хвостохранилища вытянута с юго-востока на северо-запад и ограничена с востока Хибинским горным массивом, а с запада - озером Имандра. Намывная дамба хвостохранилища на 2009 г. достигла высоты 69,4 м и относится к сооружениям I класса капитальности. Ежегодно с обогатительной фабрики на хвостохранилище поступает более 6 млн. м3 хвостов обогащения, а объём хвостов, уложенных с начала эксплуатации АНОФ-2, составляет 431,5 млн.м3. Помимо хвостов обогащения в хвостохранилище так же складируются тонкодисперсные золошлаковые отходы Апатитской теплоэлектростанции (АТЭЦ). Хвостохранилище АНОФ-2 является основным и самым крупным на предприятии, а так же одним из крупнейших на Кольском полуострове источником загрязнения окружающей природной среды взвешенными веществами.

В ходе натурных наблюдений на исследуемой территории было установлено, что источниками загрязнения компонентов природной среды при эксплуатации сооружений хвостового хозяйства АНОФ-2 являются:

• •    пыление пляжной зоны хвостохранилища: в атмосферный

воздух выделяется пыль хвостов;

• •    пыление бортов дамбы хвостохранилища: в атмосферный

воздух выделяется пыль грунтов;

• •    пыление внутренних автомагистралей: в атмосферный воздух

выделяется пыль грунтов;

• •    земляные работы при отсыпке дамб обвалования:  в

атмосферный воздух выделяется пыль грунтов;

• •    работа автотранспорта и дорожной техники: в атмосферный

воздух выделяются продукты сгорания дизельного топлива;

• •    работы по перекладке трубопроводов: в атмосферный воздух

выделяются сварочный аэрозоль и пыль металлическая.

Однако основное негативное воздействие на окружающую среду в рассматриваемом регионе оказывает ветровое пыление открытых пляжей хвостохранилища. Рассеивание техногенных выбросов в атмосфере и последующее выпадение их путём гравитационного осаждения или с осадками приводят к формированию в почвенном покрове и поверхностных водоёмах и водотоках техногенных аномалий. Полный анализ химического состава отвальных хвостов представлен в табл. 1. Неорганическая пыль с таким составом оказывает существенное влияние не только на химический состав атмосферы и гидросферы, но и на растительные сообщества, существующие на данной территории. Кроме этого значительной техногенной нагрузке подвергается воздух города Апатиты: при интенсивной ветровой нагрузке атмохимический ореол загрязнения пылью хвостов достигает города, что негативно сказывается как на санитарно-гигиенической обстановке в городе, так и на здоровье граждан в целом [2].

Таблица 1.

Полный анализ химического состава пыли хвостов АНОФ-2.

Хим. состав	Содержание, %
Влага	0,11
Потери при прокаливании	1,07
SiO 2	42,14
TiO 2	3,84
Al 2 O 3	36,32
Fe 2 O 3	5,35
FeO	3,22
P 2 O 5	1,45
CaO	5,58
SrO	0,22
MgO	1,43
MnO	0,22
Na 2 O	10,39
K 2 O	5,28
F 2	0,35

Проведённый на территории АНОФ-2 мониторинг показал, что незначительный пылевынос с пляжей и бортов хвостохранилища наблюдается даже при минимальной ветровой нагрузке. Мониторинг проводился при помощи портативного пылемера DustTrak TSI-8520. В данном анализаторе пыли реализован принцип лазерной нефелометрии, что определяет возможность измерений в широком динамическом диапазоне концентраций (0-100 мг/м3). Для определения скорости ветра использовался метеометр МЭС-200. Натурные измерения показали, что при скорости ветра 3,4 м/с концентрация взвешенных веществ в атмосферном воздухе рабочей зоны составляет 0,091 мг/м3, при 5 м/с – 0,186 мг/м3, а при порывах до 17 м/с концентрация взвешенных веществ в воздухе достигает 0,816 мг/м3. Как видно из приведённых результатов, уже при скорости ветра - 5 м/с концентрация взвешенных веществ в воздухе рабочей зоны превышает среднесуточную предельно-допустимую концентрацию (ПДК). При большей ветровой нагрузке концентрация пыли будет превышать и максимально-разовую ПДК, которая для неорганической пыли с содержанием 20-70% SiO2 составляет 0,3 мг/м3 [4].

Такой интенсивный пылевынос объясняется большим процентным содержанием мелкой фракции в пульпе, поступающей на хвостохранилище с АНОФ-2. В учебной лаборатории Экологического мониторинга при научно-образовательном центре Санкт-Петербургского государственного горного университета был определён гранулометрический состав отобранных проб, который показал содержание тонких песков в хвостах АНОФ-2 (<0,09 мм) более 60%. Таким образом, можно утверждать, что даже при незначительной ветровой нагрузке будет иметь место пыление пляжей хвостохранилища, что достоверно было подтверждено натурными наблюдениями и измерениями.

Фактически пыление пляжной зоны хвостохранилища возможно только на тех ее участках, на которых не производится намыва хвостов и не проведена рекультивация. На участках активного намыва пляжная зона находится в сильно увлажненном состоянии, что исключает возможность пылеобразования с этой поверхности [3]. В соответствии с данными натурных наблюдений за пылением хвостохранилища АНОФ-2 средняя площадь пыления равна 8,2 га. При этом пыление отсутствует в период года с устойчивым снежным покровом и в дни "теплого" периода года с атмосферными осадками. Изменение концентрации пыли в атмосферном воздухе на территории хвостохранилища АНОФ -2 в зависимости от времени года отображено на графике (рис. 1).

На сегодняшний день на предприятии внедрён ряд природоохранных мероприятий для снижения негативного воздействия хвостохранилища на компоненты окружающей природной среды. Основные из них - это закрепление пляжей хвостохранилища анионной битумной эмульсией, орошение внутренних дорог лигносульфанатом и закрепление бортов дамбы путём посева многолетней травы волосенца песчаного. Эти мероприятия дают положительные результаты, о чём достоверно свидетельствуют натурные измерения. Так, значения концентраций, приведённые выше, были получены в условиях 90% закрепления пляжей хвостохранилища битумной эмульсией. Замеры, проведённые на границе свеженамытого пляжа при скорости ветра 3,4 м/с, показали значение концентрации пыли 0,255 мг/м3. Таким образом, можно утверждать о значительной эффективности принятых на предприятии мероприятий по снижению пылевыноса с пляжей хвостохранилища и снижении концентрации пыли в атмосферном воздухе рабочей зоны на 60-70%.

Рис. 1. График зависимости концентрации взвешенных веществ в приземной атмосфере от времени года.

На основании данных, полученных по результатам замера концентраций взвешенных веществ в атмосферном воздухе рабочей зоны на территории хвостохранилища, был построен график зависимости концентрации взвешенных веществ в приземной атмосфере от скорости ветра (рис. 2). Следует отметить, что эти значения концентраций были получены в условиях 90% закрепления пляжей хвостохранилища битумной эмульсией, что позволяет судить о не удовлетворительной эффективности данного мероприятия при скоростях ветра более 15-20 м/с.

Однако, несмотря на все природоохранные мероприятия, антропогенная нагрузка на окружающую среду данного региона по-прежнему остаётся значительной, так как у применяемых на предприятии средозащитных мероприятий есть существенные недостатки. Так, например, при скорости ветра выше 15-20 м/с любое нарушение целости структуры битумной плёнки приводит к её разрушению, и интенсивность пыления пляжей хвостохранилища многократно увеличивается (данная тенденция хорошо прослеживается на графике, представленном на Рис. 2); пыление бортов дамбы хвостохранилища остаётся значительным в течение нескольких лет после посева закрепляющего травяного покрова, до его полного разрастания. Также битумной эмульсией не могут быть закреплены свеженамытые хвосты, так как техника, которая осуществляет закрепление, не может перемещаться по свеженамытым пляжам. При этом период полного высыхания и усадки свеженамытого пляжа хвостохранилища составляет 1-2 месяца, а период высыхания верхнего слоя пульпы (тонкодисперсные хвосты) – несколько дней, следовательно, интенсивное пыление будет наблюдаться в течение всего периода усадки пляжа [3]. Таким образом, с достаточной степенью точности можно утверждать, что запылённость атмосферного воздуха на территории хвостохранилища АНОФ-2 даже при незначительной ветровой нагрузке будет превышать допустимые нормативы, т.к. будет иметь место пыление пляжей хвостохранилища, что достоверно было подтверждено натурными наблюдениями и измерениями.

К онцентрация взвешенных веществ в приземной атмосфере в зависимости от интенсивности ветровой нагрузки

Рис. 2. График зависимости концентрации взвешенных веществ в приземной атмосфере от интенсивности ветровой нагрузки.

Ещё одним фактором негативного воздействия хвостохранилища АНОФ-2 на окружающую природную среду данного региона безусловно является сброс производственных и ливнёвых сточных вод, поступающих в хвостохранилище, а так же инфильтрация дренажных вод с территории хвостохранилища в подземные и поверхностные воды через тело дамбы, что приводит к загрязнению поверхностных водоёмов и водотоков, используемых для рыбохозяйственных целей. Согласно проекту ОВОС на сегодняшний день на предприятии нормативно-допустимый сброс превышается по следующим веществам: взвешенные вещества - в 5 раз; нефтепродукты - в 1,5 раза; нитриты - в 2 раза; фтор - в 8 раз; АПАВ - в 2 раза; фосфаты - в 2 раза; алюминий - в 5 раз [5]. Такие превышения приводят к образованию значительных по площади гидрохимических ореолов загрязнения и значительному превышению ПДК для водоёмов высшей рыбохозяйственной категории, к которой относится озеро Имандра. Экосистемы высоких широт, обладающие слабым потенциалом самоочищения и самовосстановления, особенно чувствительны к любым изменениям среды обитания, а, следовательно, интенсивное загрязнение поверхностных вод может стать причиной аллогенной сукцессии водных экосистем [2].

Результаты натурных наблюдений и лабораторных исследований, проведённых в ходе выполнения научно-исследовательской работы позволяют сделать вывод, что применяемые на предприятии природоохранные меры не обладают необходимой эффективностью, а техногенная нагрузка в регионе остаётся значительной. Таким образом, необходимость разработки и внедрения автоматизированной программы комплексного экологического мониторинга территории хвостохранилища и разработка наиболее эффективных оперативных методов реагирования и пылеподавления в условиях интенсивной ветровой нагрузки остаётся очевидной.

В заключении необходимо отметить, что целью проведённых исследований являлось выявление нарушений в зоне воздействия хвостового хозяйства АНОФ-2 на компоненты окружающей природной среды, а так же оценка состояния существующих на данной территории природных экосистем. Это особенно важно для региона, в котором расположено рассматриваемое горно-перерабатывающее предприятие, так как природные экосистемы северных территорий имеют слабый потенциал самовосстановления, а, следовательно, повышенная антропогенная нагрузка на них может привести к исчезновению многих видов животных и растений, или исчезновению экосистемы в целом [3].