Типы и сферы воздействия черной металлургии на природную среду

Экологические особенности технологий черной металлургии. Черная металлургия характеризуется высокими землеемкостью, водоемкостью, энергоемкостью и является одной из наиболее загрязняющих природную среду отраслей промышленности. Основной техногенный поток в природную среду по массе – это шлаки и шламы, а также выбросы в атмосферу и сбросы в водоемы. Ежегодно на металлургических заводах образуются десятки миллионов тонн шлаков и шламов. Площади шлакоотвалов сопоставимы с площадью, занимаемой металлургическими переделами. Современный крупный металлургический завод полного цикла занимает территорию 20-30 км², включая основные и вспомогательные производства, подъездные пути, шлакоотвалы, золошламонакопители и другие сооружения. Одним из реальных путей снижения землеемкости отрасли является сокращение площадей, отводимых под шлакоотвалы.

Металлургический завод полного цикла мощностью 1 млн. т стали в год, включающий основные производства – доменное, мартеновское (конверторное или электросталеплавильное), коксохимическое, агломерационное, прокатное и ТЭЦ, ежесуточно поставляет в природную среду 200-300 т золы и 500 т шлаков в золошлакоотвалы и 280 т шламов в шламонакопители, сбрасывает в реки и водоемы 3000 м³ теплых очищенных вод; выбрасывает в атмосферу 50 т пыли, 10 т окислов азота и от 10 до 100 т сернистого ангидрида. По сравнению с выбросами в атмосферу, поток техногенных веществ в воду на так называемый «рельеф» более значительный (рис. 14). Тем не менее именно загрязнение атмосферы представляет собой ведущую экологическую проблему отрасли.

Черная металлургия – водоемкая отрасль. Имея высокий уровень оборотного использования воды, заводы черной металлургии являются мощными источниками сточных вод. В настоящее время удельный объем сточных вод составляет 11,3 м³ на 1 т стали. На 1 млн. т стали в год мощности металлургический завод ежесуточно сбрасывает в водоемы в среднем 18000 м³ сточных вод. Даже после очистных сооружений сточные воды характеризуются значительным превышением санитарных показателей.

Рис. 14. Функциональная схема завода черной металлургии полного цикла мощностью 1 млн. т стали в год (среднесуточные показатели) и каналы связи с природной средой (по В. Н. Калуцкову, 1992)

Рассмотрим прежде всего экологически значимые характеристики стоков. В водоемы поступают теплые воды с превышением естественной температуры в зимнее время в местах сброса на 15-20° (до 25°). Летом «ножницы» температур обычно меньше. Как следствие, создаются экологические условия, аналогичные прудам-охладителям теплоэлектростанций, где перестройка водных систем достигает уровня природной зоны. Стоки характеризуются высоким содержанием взвешенных веществ, в среднем на порядок превышающим фоновые параметры. В местах сброса сточных вод значения рН достигают 8-9, причем стоки ряда производств представляют собой сильнотоксичные щелочи (рН 12-13). Экологически неблагоприятны высокие концентрации эфирорастворимых веществ (превышение ПДК достигает двух порядков), фенолов и роданидов. Интересно отметить, что содержание подвижного (двухвалентного) железа в сточных водах находится почти в пределах нормы, что, вероятно, связано с неблагоприятными условиями миграции железа.

Наиболее опасны для природы залповые сбросы сточных вод, которые связаны с недоучетом ливневых осадков, способных вызвать переполнение очистных сооружений, шламонакопителей. Другой источник залповых сбросов – промливневая канализация, сточные воды которой на ряде заводов непосредственно поступают в гидросеть.

Центры черной металлургии выделяются высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна. Крупный металлургический завод ежесуточно выбрасывает сотни тонн пыли, сернистого ангидрида, окислов азота, окиси углерода (см. рис. 14). К менее массовым, но более токсичным относятся выбросы хлора, фтора, мышьяка, фенолов, различных канцерогенных веществ, однако концентрации этих веществ превышают предельно допустимые, как правило, только на промплощадке. Выбросы марганца, меди, никеля, цинка, хрома, свинца сравнительно невелики. Несмотря на это, уровень загрязнения тяжелыми металлами на заводах, производящих легированные стали, возрастает, приближаясь к цветной металлургии.

Выбросы в атмосферу подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованные выбросы в атмосферу осуществляются через трубы и аспирационные установки. Неорганизованные выбросы – выбросы, не попавшие в систему пыле-газоулавливания и выделяющиеся вспомогательными технологическими переделами (участками измельчения, транспортировки, складирования материалов и технологическими проемами агрегатов).

Организованные выбросы относятся к горячим (t° – 150-200°C) и поступают в атмосферу из труб от 100 до 250 м. Пылевые выбросы доминируют над газообразными соединениями серы и азота в соотношении 3:1. Дисперсный состав пыли определяется производством. Пыль коксохимического, доменного и прокатного производств крупнодисперсная и осаждается вблизи от источника воздействия. Мартеновское и электросталеплавильное производства поставляют в атмосферу мелкодисперсные выбросы, распространяющиеся на десятки километров, доли мелко- и крупнодисперсных частиц в выбросах агломерационных и конверторных производств равны, поэтому их воздействие осуществляется как вблизи производства, так и на удалении от него.

Неорганизованные выбросы полидисперсны и политемпературны. Они поступают в атмосферу с небольшой высоты, слабо рассеиваются. Неорганизованные выбросы «ответственны» за загрязнение атмосферы вблизи металлургических переделов. Крупный металлургический комбинат полного цикла мощностью 6-7 млн. т стали в год, с двумястами высокими и низкими трубами имеет десятки источников неорганизованных выбросов в атмосферу. Эти выбросы в силу их 50-100-кратного разбавления воздухом не могут быть подвергнуты очистке. Сократить неорганизованные выбросы можно только путем совершенствования технологий.

Химический состав пыли и газов в черной металлургии следующий: пыль на 50-70% состоит из железа и его соединений, на 1-20% из соединений кальция и магния, содержит алюминий, калий, титан в виде окислов, сульфидов, карбонатов, фосфатов и силикатов. Микроэлементов в выбросах немного. Так, пыль агломерационного, мартеновского и доменного цехов лишь на 0,3-0,9% состоит из окислов марганца, а выбросы мартеновского цеха содержат до 0,6% Сr₂О₃ и до 2% ZnO, доля остальных микроэлементов значительно ниже.

Таким образом, тип воздействия черной металлургии на природную среду определяется структурой выбросов: газообразных, пылевых, способствующих подщелачиванию почв и природных вод. При преобладании пылевых выбросов выделяют щелочной тип и кислый, при ведущей роли газообразных выбросов – нейтральный. Для щелочного типа воздействий характерны высокие значения рН почв и вод, повышенное содержание в них железа и кальция. К кислому типу воздействия относятся заводы, перерабатывающие сырье с высоким содержанием серы. В целом черной металлургии присущ щелочной тип воздействия с преобладанием макроэлементов в техногенных потоках.

Сфера воздействия металлургических производств ограничивается территориями с интенсивным поступлением техногенных выбросов в природную среду. Интегральный показатель интенсивности воздействия – поступление выбросов в единицу времени на единицу площади, чаще всего он рассчитывается т/км² в год. При выявлении сферы воздействия используют биотестирование, биологическую индикацию, приемы ландшафтной индикации загрязнения природной среды.

Ограничение сферы воздействия производят по одному или нескольким элементам ландшафта, например, снежному покрову, почвам, торфу, мхам и лишайникам, эпифитной растительности и т.д. Биологические индикаторы воздействия работают даже при низкой его интенсивности, основные требования к ним – способность отражать (фиксировать) воздействие и сохранять в «памяти» с минимальной трансформацией во времени, т.е. аккумулировать в себе техногенную информацию. Ландшафтная индикация загрязнения природной среды по сравнению с биотестированием и компонентной индикацией более сложный вид исследований, так как требует не только выявления компонентов индикаторов воздействия, но и поисков показателей нарушенности связи в ландшафтах. Суть ее состоит в том, что по состоянию ландшафта и его морфоструктуры устанавливают уровень загрязнения, при этом возможны и обратные построения.

Структура сферы техногенного воздействия (количество, выраженность, геометрия зон) зависит от совместимости техногенных и природных потоков веществ, от величины и токсичности техногенных потоков, продолжительности воздействия и устойчивости ландшафтов к данному типу техногенеза. В пределах сферы выделяют зоны – ареалы действия определенного канала воздействия подвижного компонента и ареалы преобразованного компонента или элемента ландшафта. Для сферы воздействия металлургических центров с преобладанием воздушного канала связи характерны полные и не полные. К первым относят сферы, состоящие из трех зон: геоматического, биотического и геохимического воздействия. В неполных сферах чаще всего представлены одна или две последние зоны (рис. 15).

Рис. 15. Типы структур сфер воздействия традиционных металлургических производств и электрометаллургии:

1 – источник выбросов; 2 – зона геоматического воздействия; 3 – зона биотического воздействия; 4 – зона геохимического воздействия

Зона геохимического воздействия металлургических производств может составлять несколько тысяч квадратных километров; интенсивные поступления выбросов вызывают превышение фоновых концентраций в компонентах и элементах ландшафтов (воздухе, воде, снеге, почве, торфе и т.д.).

Зона биотического воздействия выделяется при фиксировании изменений в биотических элементах ландшафтов, вызванных геохимическим воздействием, это прежде всего уменьшение видового разнообразия в ярусах растительности, почвенной фауне и т.д. Так как нарушение или выпадение элементов биоты связано с накоплением ингредиентов выбросов в почвах, то проводят диагностирование состояния почв, в первую очередь изменение их химического состава. Внутри зоны по нарушенности элементов биоты возможны выделения подзон, например подзоны поражения эпифитной растительности, мхов и лишайников, подзоны угнетения древостоев и т.д.

Зона геоматического воздействия (интенсивного поступления выбросов в течение длительного времени и вследствие этого структурной перестройки ландшафтов). Геохимические воздействия и нарушения биоты ландшафтов вызывают изменение их литогенной основы (геомы), т.е. практически происходит их трансформация и формирование «техногеом», в которых полностью отсутствуют биотические компоненты.

Поступление выбросов в сферу воздействия проследим на примере Череповецкого металлургического комбината. Сфера воздействия Череповецкого комбината представляет собой эллипс, вытянутый с юго-запада на северо-восток, максимальное осаждение пыли – 30 мг/м³ в год, превосходящее фоновое значение в 3-4 порядка, наблюдалось непосредственно на территории завода, здесь осаждается 25-30% выбросов пыли, 50% осаждается в радиусе 7 км. К северо-западу от завода поступление пыли уменьшается в 2 раза через 0,5 км, а к северо-востоку через 1 км, достигая на расстоянии 50-55 км фоновых значений (рис. 16).

Временной анализ сферы воздействия таков: после начала эксплуатации завода (мощность 1-1,5 млн. т чугуна в год) средний радиус воздействия в течение пяти лет не превышал 10 км. Увеличение производства до 3 млн. т в год расширило сферу воздействия до 20-25 км; дальнейшее наращивание мощностей до 5,5 млн. т в год увеличило радиус воздействия до 40-45 км.

Рис. 16. Выпадение промышленной пыли в сфере воздействия Череповецкого металлургического завода:

1 – изолинии выпадения пыли (г/м² в сутки); 2 – металлургический завод; 3 – площадки отбора снеговых проб; 4 – граница города

В сфере воздействия площадью 8000 км² выделяются:

¨ внешняя зона – зона геохимических нарушений, площадью около 7000 км² в радиусе от 15 до 50 км, где поступление пыли 35110 т/ км² в год вызывает повышение содержания выбросов в почвах и растениях, наблюдаются периодически высокие концентрации в воздухе пыли, окислов азота и серы, бенз(а)пирена;

¨ средняя зона – зона локальных повреждений площадью 6000 км², радиус 5-15 км, поступление пыли 35-110 т/ км² в год вызывает повышение содержания выбросов в почвах и растениях, концентрации в воздухе пыли, окислов азота и серы, бенз(а)пирена;

¨ внутренняя зона, непосредственно примыкающая к производству, зона трансформации ландшафтов, в которой многолетний высокий уровень загрязнение привел к техногенной трансформации почв, значение рН повысилось на две-три единицы. Высокий уровень загрязнения воздуха, воды, почв, накопление токсичных веществ в растениях представляют опасность для биоты ландшафтов и человека.

Размеры санитарно-защитных зон (от 1000 до 5000 м) не сопоставимы с размерами сферы воздействия металлургического центра, поэтому за пределами санитарно-защитной зоны предлагается создавать зону санитарного разрыва, которая должна достигать 20-25 км.

Новая технология получения стали методом прямого восстановления железа является более экологичной, так как она лишена таких крупных загрязнителей, как коксохимическое и доменное производство, экологичность этой технологии рассматривается в следующем разделе.

Электрометаллургия по сравнению с традиционными металлургическими технологиями менее экологически опасное производство. Электрометаллургический комбинат представляет собой экологически чистое производство, так как его технологическая схема исключает крупные источники загрязнения – агломерационное, доменное, токсохимическое производства. Применение непылящего гидротранспорта, перевод энергетического хозяйства на газ также заметно снижают выбросы в атмосферу.

Сравнение электрометаллургии с традиционной технологией в черной металлургии в пользу электрометаллургии, так как происходит:

¨ снижение удельных выбросов пыли в 2-4 раза, сернистого газа в 18-60 раз, окиси углерода в 3,5-4,5 раза;

¨ снижение токсичности воздушных выбросов в 300 раз за счет отсутствия в технологической схеме коксохимического производства, выбрасывающего в атмосферу фенол, бензол, цианистые соединения;

¨ исключение неорганизованных выбросов в атмосферу.

В силу этого размеры санитарно-защитной зоны электрометаллургического производства малы (радиус 2 км).

Реальную экологичность технологии электрометаллургии оценим по результатам В. Н. Калуцкова, изучавшего в 1992 г. воздействие Оскольского электрометаллургического комбината на ландшафты лесостепи.

Наиболее характерные элементы-загрязнители электрометаллургического производства – железо, кальций, кремний и магний. В пределах санитарно-защитной зоны растения и почвы накапливают ингредиенты выбросов комбината. Уровень загрязнения растений тяжелыми металлами пока относительно невысок, максимальные концентрации цинка, меди и никеля в среднем в два раза выше фона.

В зеленых мхах содержание 11 элементов превышает фоновые значения, в хвое сосны фон превышен для семи элементов, в напочвенных лишайниках – для пяти. Повреждение лесной растительности происходит также и за пределами санитарно-защитной зоны, повышается кислотность атмосферных выпадений.

Невысокий объем выбросов, в десятки раз меньший, чем на обычном металлургическом заводе, предопределил и невысокий в целом уровень загрязнения. Выпадение пыли в радиусе 3 км всего в два-три раза превышает фоновое значение, в снеговых водах в два-три раза повышено содержание железа, в три-четыре раза – кальция. Для металлургических производств традиционной технологии характерно повышение рН. Такая же картина наблюдается при фоновых нейтральных значениях рН в радиусе 6 км, реакция снеговых вод становится слабощелочной. Средний радиус воздействия не превышает 6-10 км.