Освещен процесс естественного зарастания золоотвалов ТЭЦ, минеральный состав золы и их экологическое воздействие на окружающую среду.

Ключевые слова: золоотвал, ТЭЦ, зола, естественное зарастание

Теплоэнергетика давно стала неотъемлемым элементом развития мировой промышленности. Однако развитие топливно-энергетического комплекса повлекло за собой появление серьезных проблем, связанных с охраной окружающей среды в связи с загрязнением вредными веществами. Энергетика оказывает влияние на окружающую среду на всех этапах энергетического производства, причем каждая подотрасль характеризуется специфичностью характера своего воздействия [12]. Объемы золошлаковых отходов электростанций возрастают с увеличением количества крупных энергетических объектов и энергокомплексов, что ведет к увеличению площадей золоотвалов, на территории которых эти самые золошлаковые отходы складируется. Для хранения шлака и золы заняты большие площади — более 22 тыс. га — что требует больших и все время увеличивающихся материальных затрат на их содержание [1]. При сгорании угля в котельных агрегатах ГРЭС и ТЭЦ при высоких температурах из неорганической несгорающей части образуется зола и шлаки, которые далее по трубопроводам транспортируются на шлакоотвал (золоотвал). Золоотвал, шлакоотвал — гидротехническое сооружение, возникающее путем намывания из золошлаковых материалов в ходе их складирования. Различают несколько видов золоотвалов в зависимости от гидрографической сети района и рельефа местности: косогорные (склоновые), пойменные, равнинные, подводные, овражные (долинные) [10]. Ежегодно на 1 кВт мощности ТЭС приходится около 500 кг золошлаковых отходов, из которых используется менее 20 % [3]. Объемы утилизации и использования отходов тепловой энергетики являются неудовлетворительными. Золоотвалы, построенные 50–60 лет назад не оснащены надежными конструкциями, обеспечивающими защиту окружающей среды от загрязнения. Эксплуатация золоотвалов в связи с этим сопровождается загрязнением атмосферы, вследствие процессов дефляции, происходящих на их поверхности, загрязнением подземных вод и почвы соединениями тяжелых металлов и прочими веществами. Это является одной из серьезных экологических проблем современного человечества, т. е. неуклонный рост содержания соединений тяжелых металлов в атмосфере, воде, почве индустриально развитых городов и стран. Почва, это мощный сорбционный барьер, способный аккумулировать большое количество тяжелых металлов.

В городах на малой площади сосредоточено большое количество источников загрязнения, имеющие разную природу, что обуславливает высокую неоднородность и интенсивность состава почвенных загрязнений. Города являются важнейшими антропогенно трансформированными экосистемами. Главная особенность окружающей среды городов — это сочетание антропогенных и природных компонентов, что обеспечивает разнородность условий существования живых организмов. В городах почти все составные части природной среды претерпели изменение: климат, атмосфера, подземная и поверхностная гидросфера, почва, рельеф, животный мир, флора. Особую опасность представляют собой золоотвалы, находящиеся вблизи водных бассейнов (озер и рек), из-за возможности прорыва дамб.

Золоотвалы оказывают влияние на ПТК, снижают производственный ресурс механизмов машин, сельскохозяйственных угодий. Поверхность большинства золоотвалов (кроме золоотвалов, на которых складируется зола, со способностью цементироваться) в периоды без дождя, может являться источником сильного пыления. В особенно это относится к районам с засушливым климатом и сильными ветрами, которые часто повторяются (такие районы как Западная Сибирь, Нижнее Поволжье, Казахстан). Из вышесказанного видно, что золоотвалы оказывают большое отрицательное влияние на атмо-, гидро-, лито- и биосферу посредством нарушения баланса естественного взаимодействия компонентов природы и саморегуляции биосферы [10]. Золошлаковые отходы по массе составляют более 90 % всех видов отходов, тепловых электростанций [2]. Золоотвалы — одна из причин отчуждения земель, причем земли изымаются практически безвозвратно из полезного использования [9].

Зола золоотвалов тепловых электростанций является специфическим субстратом, который не имеет аналогов в природе. Угольная зола содержит свинец, мышьяк, селен, ртуть, барий, алюминий, хлор, бор, т. е. вещества, обладающие высокой токсичностью. Они могут вызвать сердечно-сосудистые заболевания, заболевания желудочно-кишечного тракта, болезнь почек, проблемы с обучаемостью, рак легкого, врожденные пороки развития, астму, неврологические расстройства и другие болезни. Радиоактивность сбросов и выбросов ТЭС зависит от радиоактивности исходного угля и особенностей его сжигания, от эффективности улавливания летучей золы [13]. Концентрирование радионуклидов в продуктах сгорания угля происходит при сжигании угля за счет удаления летучих соединений и выгорания углерода. От концентрации радионуклидов в угле и метода сжигания его на ТЭС зависит количество радионуклидов, выходящих в атмосферу. Известно, что при сжигании углей с малым содержанием тория и урана, при употреблении полученных золошлаков на отсыпку дорог и в качестве искусственных грунтов, радиоактивный фон увеличивается в 2–3 раза относительно местного фона [7].

Гранулометрические, химические и водно-физические характеристики золошлаковых отходов в разных регионах имеют некоторые отличия между собой, при общей схожести показателей. Так в Свердловской области золошлаковые отходы Рефтинской ГРЭС на 75 % — состоят из фракций пыли (зола) и песка, на 60–90 % из алюмосиликатов, а также отличаются высоким содержанием микроэлементов. Преобладание в составе золошлаковых отходов мелких и пылевых фракций и малое содержание CaO и MgO (не выше 3–5 %) обусловливает процессы дефляции с поверхности золоотвала, что связано с рыхлостью зольного субстрата [4]. В Иркутской области золошлаковые отходы ТЭЦ-11 АОЭиЭ «Иркутскэнерго», содержат шлак и золу-уноса, и являются материалом, состоящим из (%): Al₂O_3–21,5; SiO ₂ -59,15; Fe₂O_3–8,6; TiO_2–0,63; MgO — 1,1; CaO — 4,65; Ka₂O+ Na₂0 –1,12; SО_3–0,4. Гранулометрический состав отличается низким содержанием крупных фракций (примерно 5 % класса +5 мм) [11]. На Дальнем Востоке на ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 (гг. Владивосток и Хабаровск) сжигаются каменные и бурые угли из семнадцати угольных месторождений. Золошлаки, полученные после сжигания этих углей имеют следующий химический состав: (%): А1₂О₃ 0–30, SiO₂ 10–58, СаО₂–60, Fe₂O₃ 2–20, R₂O 0–5 (R₂O — сумма TiO₂, FeO, MnO, K₂ O) MgO 0–10 [2].

Золошлаки имеют в своем составе микропримеси различных элементов. Основная доля минеральной части углей представлена в основном глинистыми минералами с небольшим количеством оксидов сидерита, пирита и железа, которые подвергаются термическому превращению в процессе сжигания. Основная часть из них при активном горении плавится, а потом застывает в виде стекловидных частиц. Часть серы взаимодействует с кальцием с образованием CaSO₄. В шлаке и золе содержится большая доля углерода (так называемого механического недожога). Если в углях содержаться микроэлементы (As, Mn, Pb, Hg, Cd, Sb и др.), то в золошлаках их содержание существенно превышает фоновые, что ведет к высокой экологической опасности [2]. В Красноярском крае золошлаковые отходы Березовской ГРЭС-1 минералогически представлены большей частью алюмосиликатами, силикатами, оксидами магния и кальция, ангидридом, ферритами кальция [5].

В связи с тем, что многие ТЭС заменили твердое топливо на газ или их золошлакоотвалы заполнены до предельной емкости появляется проблема их рекультивации, так как утилизировать все количество золы, которая находится в отработанных, однако нерекультивированных золошлакоотвалах ТЭС, не видится возможным. Отработанный нерекультивированный золошлакоотвал представляет из себя источник поступления в атмосферу золы из-за ветровой эрозии с его поверхности, при этом объемы золы, выносимые с одного гектара золошлакоотвала, могут достигать нескольких сотен тонн за год, а пылевое облако простираться на несколько километров. Если рассматривать эту проблему с биологической точки зрения, то золошлокоотвалы — это своеобразные «пустыни», не имеющие в своем составе органических веществ, а только лишь следы азота; количество подвижных форм калия и фосфора в них недостаточно чтобы обеспечить питание растений, вследствие этого их самозарастание — это крайне медленный процесс, обрастание их поверхности растениями до прекращения пыления может длится от 10 до 15 лет [5].

Определение темпов, направленности, тенденций естественного восстановления растительного покрова на нарушенных территориях является важным. В таежной зоне на золоотвале Верхнетагильской ГРЭС на участках самозарастания зольного субстрата растительность формируется таким образом: от первичных бескильницевых группировок к появлению простых разнотравно-злаковых, затем идет формирование разнотравно-злаковых и злаково-разнотравных растительных сообществ с рединой древесных видов: Betula pubescens, Betula pendula, Populus tremula, заросли ив [6]. Флористический состав растительных сообществ зависит не только от местных климатических, геологических, гидрологических и прочих условий, но также и от возраста золоотвала. Так в Уральском регионе в таежной зоне растительность золоотвала № 1 Нижнетуринской ГРЭС, имеющего возраст 45 лет представлена следующими семействами: на первом месте по числу видов — Asteraceae Dumort., второе место Poaceae Barnhart., на третьем — Fabaceae Lindl. Среди доминирующих семейств золоотвала № 2 (35 лет) первое место принадлежит семейству Asteraceae Dumort., второе — Salicaceae Mirb., третье место у — Poaceae Barnhart. На золоотвале № 3 (15 лет) на первом месте семейство Asteraceae Dumort., на втором — Fabaceae Lindl., на третьем — Poaceae Barnhart. и Salicaceae Mirb. Флоры всех трёх отвалов в основном образованы многолетними видами — 78–79 %, однолетники и двулетники составляют 21–22 %. Структура флоры этих золоотвалов наиболее представлена травами, имеющими стержневую корневую систему, но на золоотвале № 2 второе место после стержнекорневых трав (таких как Trifolium pratense L., Artemisia absinthium L., Plantago media L.) занимают корневищные и корнеотпрысковые (Cirsium setosum (Willd) Bess., Lathyrus pratensis L.,), на золоотвале № 3 (нерекультивированном и самом молодом) — ползучие, короткокорневищные травы (Leontodon autumnalis, L.Achillea millefolium L.). Это связано с тем, что на «чистой» золе к жизни более приспособлены короткокорневищные травы, которые хорошо закрепляют зольный субстрат, что и видно на золоотвале № 3, где не наносилось почвогрунта [8].

Изучение в ходе естественного зарастания техногенно-нарушенных ландшафтов особенностей морфогенеза древесных видов имеет большое значение при создании устойчивых дендроценозов на территории техногенных ландшафтов [4]. Создание и включение искусственно созданных фитоценозов в естественные зональные экосистемы на сегодняшний день является актуальным. Негативное влияние на окружающую среду больших площадей подобных отвалов, обуславливает разработку методов рекультивации. Так же необходимо учитывать, что процессы естественного восстановления нарушенных территорий характеризуются замедленными темпами поэтому, существует реальная необходимость разработки мер по ускорению регенерации растительных сообществ или формированию продуктивных искусственных растительных сообществ [6].

Литература:

1.                Демиденко Г. А. Экологический анализ искусственных почвогрунтов, созданных на основе золошлаковых отходов. / Демиденко Г. А., Качаев Г. В., Фомина Н. В. // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. — 2011. — № 8. — С. — 149–152. — ISSN 1819–4036
2.                Зверева В. П. Оценка влияния золоотвалов теплоэлектростанций на объекты окружающей среды (на юге Дальнего Востока). / В. П. Зверева, Л. Т. Крупская // Экологическая химия. — 2012. — № 21 (4). — С. 225–233. — ISSN -0869–3498
3.                Зимин Д. А., Гайгеров М. С., Суханов М. А. О Федеральной целевой программе «Отходы» и ходе реализации некоторых ее проектов // Межотраслевой выпуск Экспресс информации «Ресурсосберегающие технологии».- 2000.- № 22. — М. изд. ВИНИТИ.- С. 3–7.
4.                Калашникова И. В. Естественное возобновление берёзы повислой (Betula pendula Roth) и берёзы пушистой (B. pubescens Ehrh.) на техногенных ландшафтах. / И. В. Калашникова, С. В. Мигалина // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2012. — № 37–1. — Том 5. — С.240–243. — ISSN 2073–0853
5.                Качаев Г. В. Эколого-токсикологическая оценка искусственных смесей, созданных на основе золошлаков Березовской ГРЭС-1 и рекомендуемых для восстановления природных экосистем. / Г. В. Качаев, Г. А. Демиденко, Н. В. Фомина //Вестник Красноярского государственного аграрного университета. — 2011. — № 9. — С. 161–164. — ISSN 1819–4036
6.                Лукина Н. В. Особенности формирования флоры и растительности в условиях золоотвалов тепловых электростанций [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. биологических наук (10.12.02) / Лукина Наталия Валентиновна; Институт экологии растений и животных УрО РАИ. — Екатеринбург, 2002. — 19 с.
7.                Проблема радиационной безопасности угольной отрасли / Н. Л. Алукер [и др.] // Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию: тр. Междунар. науч.-практ. конф. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. — Т. 2. — С. 139–149.
8.                Раков Е. А. Комплексный подход к оценке состояния фитоценозов, формирующихся на начальных этапах существования золоотвалов тепловых электростанций / Е. А. Раков //Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2013. — № 1 (39). — С. 177–179. — ISSN 2073–0853
9.                Тиунов, А. В. Вермикомпост, вермикомпостирование и компостные черви: направление научных исследований в последнее десятилетие / А. В. Тиунов // Дождевые черви и плодородие почв: материалы II Междунар. конф. — Владимир, 2004. — С. 3–6.
10.            Умбетова Ш. М. Размещение золоотвалов и влияние золоотвального хозяйства ТЭС на окружающую среду. / Ш. М. Умбетова, А. Кожахан // Вестник КазНИТУ. — 2010. — № № 4 (80). — ISSN — 1680–9211.
11.            Федотов К. В. Экономические и технологические решения проблемы золоотвалов ТЭС. / К. В. Федотов, Н. И. Никольская, В. В. Власова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2003. — № 8. — ISSN 0236–1493
12.            Целюк Д. И. Особенности техногенного воздействия золоотвалов Средней Сибири на подземные воды [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. геолого-минералогических наук (13.11.09) / Целюк Денис Игоревич; Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н. М. Федоровского. — Москва, 2009. — 24 с.
13.            Шрамченко А. Д. Радиационная обстановка на предприятиях угольной промышленности / А. Д. Шрамченко // ТЭК. — 2000. — № 3. — С. 75.