ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы
Резкое сокращение с середины 90-х годов объемов производства в городах Иркутской области, концентрирующих основные отраслевые комплексы и народнохозяйственные объекты, не привело к улучшению экологической обстановки в Ангарской промышленной зоне. Глобальный характер и сложные процессы антропогенных изменений окружающей среды привели к обострению проблемы загрязнения объектов природной среды и, в первую очередь, водных ресурсов. Наибольшее давление на водные ресурсы оказывают предприятия химической и нефтехимической отраслей промышленности, машиностроительного и металлургического комплексов, сбрасывающих в водный бассейн р. Ангары значительные количества недостаточно очищенных и не очищенных сточных вод, содержащих тяжелые металлы. Распространение и рассеяние в объектах окружающей среды тяжелых металлов, в том числе ртути и ее соединений, привело к формированию на территориях Ангарской промышленной зоны участков с аномально высокими концентрациями загрязняющих веществ, что, соответственно, создает неблагополучную экологическую обстановку и отрицательно сказывается на здоровье населения.
Снижение уровня техногенного воздействия на водную среду Ангарского бассейна - основного источника питьевого и хозяйственного водоснабжения для боль-# _ городов и промь_х „ Ирк^кой области, явля^я одной из
приоритетных задач обеспечения экологической безопасности. Решение этой задачи требует применения надежных, современных методов исследований и оценки состояния природной среды, уровней антропогенной нагрузки, современной методологии эффективного прогнозирования изменений экологической обстановки и разработки технологий очистки сточных вод от тяжелых металлов и их соединений.
Комплексная геоэкологическая оценка состояния объектов окружающей среды в условиях воздействия градообразующих отраслевых комплексов и прогнозирование распространения высокотоксичных загрязнений в водной среде при воздействии неявно выраженных факторов актуальна для многих участков акватории р. Ангары и Братского водохранилища в пределах Ангарской промышленной зоны. ^ Выявление и количественная оценка факторов накопления загрязняющих веществ
в объектах окружающей среды необходимы для прогноза устойчивости природной среды к техногенному воздействию и инженерного обоснования системы защиты водных экосистем от загрязнения тяжелыми металлами. Одним из наиболее приоритетных направлений водоохраной политики в регионе является совершенствование технологий защиты водного бассейна р. Ангары от загрязнений высокотоксичными соединениями. К наиболее значимым техногенным факторам загрязнения водных объектов тяжелыми металлами относится поверхностный сток с территорий промышленных площадок и городов Иркутской области.
Для очистки промышленных сточных вод от тяжелых металлов перспективно использование сорбционного метода, обеспечивающего простоту эксплуатации, возможность автоматизации процесса и достижение нормативного качества очищенных вод при использовании сорбентов различной химической природы. Проблема ртутного загрязнения бассейна р. Ангары за счет продолжающегося поступления ртути с поверхностным стоком с территорий химических предприятий определяет необходимость разработки технологии извлечения микроколичеств ртути из промышленных сточных вод на основе применения синтетических комплексообра-зующих ионитов. В технологиях сорбционной очистки сточных вод гальванических производств от цинка, меди и свинца широко используют природные слоистые силикаты и их модификации. Однако истощение запасов месторождений силикатов и принципы рационального природопользования диктуют необходимость вовлечения в переработку отходов добычи и обогащения слюды на территории Восточной Сибири для получения новых эффективных слюдоподобных сорбентов.
Основные научные результаты получены при проведении НИР ИрГТУ № 47/159 «Разработка прогрессивной технологии очистки природных и сточных вод, извлечение и утилизация содержащихся в них ценных и вредных компонентов с целью улучшения качества окружающей среды и повышения полноты использования природных ресурсов»; в рамках гранта 9Г/98-00 Минобразования РФ «Научные основы создания высокоэффективных технологий переработки некондиционного слюдяного сырья с целью получения сорбционных материалов и решения экологических проблем утилизации промышленных отходов», НИР по тематическому плану областного экологического фонда Иркутской области №1.2.5.2000 «Реализация природо-
охранных мероприятий по ликвидации ртутного загрязнения на ОАО «Усольехим-пром», а также, в рамках научной тематики Института геохимии СО РАН по под-' программе «Обоснование возможных технологических решений по локализации аномального загрязнения ртутью и очистке загрязненных территорий Приангарья». Работа также была поддержана интеграционным проектом РАН 13.20, проектом SEPS project 13 British Kow How Fund, Roll 10-1267 и РФФИ (гранты 98-07-90069; 99-05-64162; 02-05-64813).
Цель работы: теоретическое обоснование и разработка технологий, методов и средств защиты водных объектов от загрязнения тяжелыми металлами для наиболее техногенно нагруженного участка бассейна р. Ангары.
Идея работы заключается в разработке научно-методологического подхода, осно- ванного на выявлении и изучении природно-техногенных факторов загрязнения водных объектов тяжелыми металлами и предусматривающего возможность снижения техногенной нагрузки на них за счет создания комплекса экологически и экономически обоснованных технологий защиты объектов окружающей среды от загрязнения.
Основные задачи исследования:
• Комплексная оценка экологического состояния водных объектов и водохо- зяйственной обстановки в Ангарской промышленной зоне и выявление основных факторов воздействия источников сосредоточенного распространения тяжелых металлов и их соединений на компоненты природной среды Верхнего Приангарья.
• Изучение пространственно-временных особенностей состояния водных объектов на участке р. Ангары, подверженном ртутному загрязнению, на основе многомерного статистического анализа данных гидрохимического мониторинга методом главных компонент.
• Исследование возможностей получения новых сорбционных материалов на основе переработки отходов добычи и обогащения слюды и изучение закономерностей сорбционного извлечения тяжелых металлов из промышленных сточных вод гальванических производств слюдоподобными сорбентами.
• Исследование закономерностей и механизма сорбционного извлечения ани-онных комплексов ртути из сточных вод химических производств синтетическими
комплексообразующими ионообменными материалами.
• Разработка и реализация природоохранных технологий, предполагающих сорбционную очистку промышленных сточных вод до требуемых нормативов качества, возврат концентрированных по металлам растворов в циклы переработки и вторичного использования, утилизацию отработанных слюдоподобных сорбентов при производстве строительных материалов.
Методы исследований: системный анализ и научное обобщение теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных исследователей; натурные наблюдения и эксперименты; методы технологического обследования инженерных систем; теоретические исследования с использованием методов математического моделирования и многомерного статистического анализа; петрографический и кристаллографический методы; атомно-абсорбционный метод; рентгснофа-зовый метод; методы ИК-спектроскопии и электронной микроскопии; статические, динамические и кинетические методы исследования сорбционных процессов.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, их сопоставимостью с опубликованными данными других авторов, а также обеспечена: применением комплекса современных физико-химических методов исследований; математических методов анализа данных; использованием фундаментальных закономерностей для описания сорбционных процессов извлечения тяжелых металлов из сточных вод; большим объемом лабораторных и промышленных исследований.
Основные защищаемые положения:
1. Комплексная оценка экологического состояния водных ресурсов и водохозяйственной обстановки в Ангарской промышленной зоне позволила выявить и количественно определить основные природно-техногенные и техногенные факторы загрязнения тяжелыми металлами участка р. Ангары и Братского водохранилища.
2. Разработан научно-методологический подход к оценке экологического состояния водных объектов и выявлению главных факторов их техногенного загрязнения тяжелыми металлами в условиях сосредоточенного воздействия крупного промышленного объекта, основанный на результатах аналитических и технологи-
10
ческих исследовании природно-техногенных систем и на статистическом анализе многомерных данных гидрохимического мониторинга методом главных компонент.
3. Определена возможность использования в технологии локальной очистки сточных вод гальванического производства от ионов меди, свинца и цинка новых слюдоподобных сорбентов, полученных на основе термобарохимической модификации слюды. Установлены основные закономерности и определены оптимальные параметры процесса сорбции тяжелых металлов на слюдоподобных сорбентах.
4. Установлена экологическая, технологическая и экономическая целесообразность реализации малоотходного процесса, включающего: использование отходов обогащения слюдяного сырья для получения сорбционных материалов; сорбцион-ную технологию очистки сточных вод от тяжелых металлов, обеспечивающую организацию частично замкнутого водооборота и возврат концентрированных по металлам растворов в технологический цикл нанесения гальванопокрытий; возможность утилизации отработанного сорбента при производстве строительных материалов.
5. Изучением на ряде синтетических ионитов равновесных и кинетических закономерностей процессов сорбции-десорбции хлоридных комплексов ртути из сточных вод химического производства, содержащих микроконцентрации ртути на фоне высоких концентраций хлорид-ионов, выявлены преимущества сорбционной активности комплексообразующего ионита АНКС.
6. Разработанные и рекомендованные к внедрению схемы реконструкции систем водоотведения, предусматривающих, в том числе, технологии сорбционной очистки промышленных сточных вод от тяжелых металлов и их соединений, обеспечивают достижение нормативных показателей качества очищенной воды при значительном снижении техногенной нагрузки на водные объекты в зоне сосредоточения экологически опасных промышленных производств Ангарской промышленной зоны.
11
Научная новизна:
• Разработана методология комплексного изучения состояния водных экосистем, основанная на использовании ландшафтно-геохимического подхода и позволяющая выявлять и количественно оценивать уровень загрязнения водных объектов тяжелыми металлами в условиях интенсивного техногенного воздействия.
• Впервые обоснована возможность использования результатов многомерного статистического анализа данных гидрохимического мониторинга методом главных компонент для выявления основных факторов распространения ртутного загрязнения р. Ангары и прогноза устойчивости водных объектов к повышенной техногенной нагрузке.
• Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность получения новых слюдоподобных сорбентов путем термобарохимической модификации слюд мусковита и флогопита, исследованы структурные особенности и физико-химические свойства новых сорбентов, установлены закономерности сорбцион-ного извлечения ионов меди, цинка, свинца из промышленных сточных вод гальванического производства.
• Доказана эколого-экономическая целесообразность реализации комплексного природоохранного процесса, включающего: использование отходов обогащения слюдяного сырья для получения сорбентов; сорбционную технологию очистки сточных вод от тяжелых металлов, обеспечивающую организацию частично замкнутого водооборота и возврат концентрированных по металлам растворов в технологический цикл нанесения гальванопокрытий; возможность утилизации отработанного сорбента при производстве строительных материалов.
• Впервые на основе результатов комплексного изучения закономерностей извлечения хлоридных комплексов ртути из промышленных сточных вод химического производства при использовании комплексообразующего ионита АНКС установлены особенности и механизмы процессов сорбции-десорбции.
• Обоснован комплексный подход к разработке эффективных технологических схем и методов очистки сточных вод от тяжелых металлов, основанный на учете динамики экологического состояния водных объектов, тенденций изменения и характера воздействия техногенной нагрузки.
12
Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработанная методология комплексной оценки экологического состояния водных объектов, находящихся в условиях интенсивного техногенного воздействия, может использоваться при прогнозе поведения загрязняющих веществ в водных системах бассейнов крупных рек и водохранилищ, для создания систем инженерной защиты водных объектов и при проектировании постов мониторинга.
Разработана технология получения эффективных слюдоподобных сорбентов на основе переработки малоразмерных некондиционных слюд флогопита и мусковита из отходов горно-обогатительных производств. Предложена и внедрена на предприятии «ВостСибэлемент» технологическая схема сорбционной очистки промышленных сточных вод гальванического производства от меди, цинка и свин- ца, обеспечивающая качество очищенной воды до уровня требований, предъявляемых к сбросу в р. Ангару, и позволяющая возвратить до 70% объема общего расхода водоотведения в технологический цикл. Определена возможность вовлечения отходов сорбционной очистки (отработанных сорбентов) в технологию получения строительных материалов. Величина предотвращенного экологического ущерба в результате реализации разработанной технологии составила 3125 тыс. руб./год (в ценах 2000 г.). Для комбината "Усольехимпром", являющегося крупномасштабным источником ртутного загрязнения природной среды, рекомендовано техническое решение, предполагающее разделение потоков системы промышленно-ливневой канализации на основе реконструкции системы водоотведения промплощадки и строительства локальных очистных сооружений ионообменного обезвреживания ливневых стоков от ртути и ее соединений. Оценка предотвращенного экологического ущерба составляет более 68 млн. руб/год.
Апробация полученных результатов
Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских и региональных конференциях, конгрессах и семинарах: «Фундаментальные и прикладные аспекты охраны окружающей среды» (Томск, 1995); «Промышленная экология и рациональное природопользование в Прибайкалье», «Современные проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения Прибайкалья», «Плаксинские чтения», «Проблемы ртутного загрязнения природ-
13
ных и искусственных водоемов, способы его предотвращения и ликвидации», «Проблемы экологического образования» (Иркутск, 1995-2001); «Проблемы комплексного использования природных ресурсов», «Экологическая геология и рациональное природопользование», «Экология, экономика и общество России на пороге XXI столетия» (С.-Петербург, 1996, 1997, 2000); «DEMECO-97» (Венгрия); III и IV международный конгрессы ЭКВАТЭК «Вода: Экология и Технология», II и IV конгрессы обогатителей стран СНГ; V Всероссийском симпозиуме «Современные теоретические модели адсорбции в пористых средах», «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, 1998, 1999, 2000, 2002, 2003); II научно-технический семинар «Экологические проблемы хранения, переработки и использования вторичного сырья» (Лозанна, 1998); II International conference Recyclace Odpadu, (Ostrava, 1998 ); III научно-технический семинар «Разработка безотходных технологических процессов» (Йоханнесбург, ЮАР, 1999); II международная конференция «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 1999); «Проблемы ртутного загрязнения окружающей среды» (Кингстон, Великобритания, 1999); VIII International IIAEG Congress on Environment and Engineering Geology (Rotterdam, 2000); International conferences Environment and mineral processing, (Острава,Чехия, 2000-2003); «Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: современное состояние и перспективы» (Улан-Удэ, 2000); 14 and 15-th International Congresses of Chemical and Process Engineering CHISA (Praha, 2000, 2002); «Энергетика, экология, экономика средних и малых городов» (Великий Устюг, 2003); международная школа-семинар «Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменения окружающей среды» (Новороссийск, 2003); «Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири» (Томск, 2003); V международный симпозиум «Вода» (Канны, Франция, 2003), а также на конференциях в Иркутском государственном техническом университете (1996-2001); в Дальневосточном государственном университете путей сообщения (2003) и др.
Личный вклад автора выразился в формулировке цели и задач исследования, в обобщении данных и формировании научно-методологической основы комплексной экологической оценки природно-техногенных систем при изучении водных объектов; в выработке методологического подхода к эколого-экономическому
14
обоснованию параметров технологических процессов сорбционного извлечения тяжелых металлов из промышленных сточных вод; в теоретическом обосновании и экспериментальном исследовании физико-химических свойств, структурных особенностей слоистых силикатов типа 2:1 после термобарохимической обработки, возможностей и условий их использования для селективного сорбционного извлечения меди, свинца и цинка из сточных вод гальванических производств; в теоретическом обосновании и экспериментальном изучении возможностей синтетических комплексообразующих ионитов для сорбционного извлечения хлоридных комплексов ртути из промышленных сточных вод химических производств; в разработке на базе результатов теоретических, экспериментальных и опытно-промышленных исследований технологических схем очистки промышленных сточных вод для предприятий Ангарской промышленной зоны от тяжелых металлов: ртути, меди, свинца, цинка; в использовании многофакторного статистического анализа методом главных компонент для оценки устойчивости природных систем к техногенному воздействию. Фактической основой диссертации явились результаты экспериментальных, полевых и технологических исследований, полученные лично автором и материалы, собранные автором в различных производственных и научных организациях в ходе выполнения работ по плановой тематике, хоздоговорным НИР и грантам в Иркутском государственном техническом универси-тете и Институте геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН в различные годы.
Публикации. Результаты исследований автора по теме диссертации опубликованы в 92 работах, в том числе в 3 монографиях, в 22 статьях в рецензируемых научных журналах и сборниках научных трудов, в научно-технических отчетах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и двух приложений, библиографического списка из 474 наименований. Она содержит 326 страниц основного текста, включает 93 таблицы и 80 рисунков.
Благодарности
Автор глубоко признателен своему научному консультанту - директору Института геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН, академику РАН Михаилу Ивано- вичу Кузьмину за помощь и постоянную поддержку в организации исследований
15
по проблеме ртутного загрязнения бассейна реки Ангары и Братского водохранилища.
Автор выражает благодарность своим коллегам, единомышленникам, соавторам за неоценимую помощь при постановке, проведении и обсуждении результатов совместных полевых и экспериментальных работ - научным сотрудникам Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН: д.г.-м.н., профессору П.В.Ковалю; к.г.-м.н. Ю.Н.Удодову; к.г.-м.н. Г.В. Калмычкову; к.г.-м.н. Г.П.Королевой; ведущему технологу Л.Д. Андрулайтис; технологу P.C. Зарипову.
Автор признателен д.ф.-м.н., профессору Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) А.Ю.Давыденко за консультации, практическую помощь и критическое обсуждение результатов исследований, сотрудникам кафед- ры прикладной геофизики и геоинформатики ИрГТУ, а также зав. кафедрой водоснабжения и гидравлики ДВГУПС (г. Хабаровск) д.т.н., профессору Л.Д.Терехову и его коллегам, коллегам с кафедры «Охраны водных ресурсов» МГСУ (г. Москва) за поддержку при выполнении исследований и обсуждение результатов работы.
Автор глубоко признателен своим учителям и наставникам: ректору ИрГТУ,
чл.-корр. РАН, д.т.н., профессору С.Б.Леонову; д.т.н., профессору А.Ю.Чикину;
д.т.н., профессору Русецкой Г.Д.; директору НИИХИММАШ, д.т.н., профессору A.M. Кузнецову; д.т.н., профессору Б.И. Зельбергу; д.х.н., профессору МГСУ Б.Н.Фрогу, к.т.н., доценту МГСУ К.И.Чижику. Значительное и благотворное влияние на выполнение работы оказали д.т.н., профессор А.Е.Черных; к.т.н. Шехирев Д.В (МИСиС); к.г.-м.н. Ю.В.Алехин (МГУ);
руководство и сотрудники ФГУП «Иркутскгеология»; Госкомитета по охране окружающей среды Иркутской области; предприятий «Усольехимпром» (г. Усолье-Сибирское) и «Востибэлемент» (г. Свирск); вице-президент «Сибирской экологической компании» Е.В.Хицкая и многие коллеги в ИрГТУ, которым автор благодарен за помощь в проведении экспериментальных исследований, постановке опытно-промышленных испытаний и обсуждение результатов работы.
16
ГЛАВА 1
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ В АНГАРСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЗОНЕ
Богатые водные ресурсы бассейна Ангары служат природной основой практически всех современных отраслей водного хозяйства Приангарья. Ведущими звеньями регионального многокомпонентного водохозяйственного комплекса являются гидроэнергетика и водоснабжение.
1.1. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ БАССЕЙНА РЕКИ АНГАРЫ В АНГАРСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЗОНЕ
Ангара — одна из крупнейших рек России - берет свое начало в оз. Байкал и через 1779 км впадает в Енисей. Площадь бассейна Ангары вместе с оз. Байкал -1039 тыс. км2. Бассейн Ангары вытянут с юго-востока на северо-запад на 1100 км. В административном отношении территория бассейна собственно Ангары принадлежит Иркутской области (64%), Красноярскому краю (30%) и Республике Бурятия (6%). Ангара относится к классу крупнейших рек России и мира. Средняя глубина реки колеблется в пределах 5-7 м, скорость течения изменяется в пределах 1,0-2,5 м/с. Средний многолетний расход - 1920 м3/с, максимальный среднемесячный 5150 м3/с, (1200 м3/с - минимальный санитарный расход, обеспечивающий разбавление
сбросов очистных сооружений и работу водозаборов). Водные ресурсы р. Ангары оцениваются в истоке в 60 км3/год чистейшей воды, поступающей из озера Байкал,
и возрастают до 138 км3 при впадении в Енисей. Уникальность Ангары во многом определяется зарегулированностыо ее стока Байкалом и созданными на реке крупными водохранилищами, что обеспечивает равномерность стока реки в течение всего года [Пути решения..., 2002].
1.1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ БАССЕЙНА РЕКИ АНГАРЫ В АНГАРСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЗОНЕ
Ангару можно разделить на три основных участка: от истока до г. Усолье-Сибирское - площадью водосбора около 50 тыс. км2; от г. Усолье-Сибирское до плотины Усть-Илимской ГЭС - объединяет крупнейшее в мире русловое водохранилище — Братское, объемом 169 км3 и Усть-Илимское водохранилище; ниже пло-
17
тины Усть-Илимской ГЭС начинается третий участок Ангары, где река протекает в основном по территории Красноярского края [Карнаухова и др., 1999].
К первому участку бассейна р. Ангары приурочены крупнейшая городская агломерация Иркутской области (г.г. Иркутск, Ангарск, Усолье-Сибирское, Шеле-хов, Свирск) с населением свыше 1,2 млн. человек и территория Ангарской промышленной зоны (рис 1.1), в которой сосредоточены предприятия ведущих отраслевых комплексов региона: цветной металлургии, машиностроения, теплоэнергетики, нефтехимической и химической промышленности.
Братск
Прибойной
Балаганск
Черемхово
-вирск Усолье-С ибирское
Ангарск Цмркутск
щедехоя ¦»'
_____________Чд_______/
Рис. 1.1. Местоположение Ангарской промышленной зоны в бассейне р. Ангары
Концентрация промышленности на сравнительно небольшой территории, преимущественно на берегах Ангары, привела к возникновению многих экологических и социально-экономических проблем, среди которых основное значение имеет ухудшение качества природных вод вследствие сбросов загрязненных сточных вод. По объему таких вод ангарский бассейн уступает только волжскому; всего 2-3% стоков, прошедших через очистные сооружения, считаются нормативно очищенными [Чупин и др., 1999]. Урбанизированные территории создали зоны аккумуляции вещественно-энергетических компонентов в основных элементах городской среды: атмосфере, почвах, водных объектах, резко изменив первичный облик ело- |
