Результаты рекогносцировочного этапа эколого-геологической оценки золошлакоотвала Первомайской ТЭЦ (г. Санкт-Петербург) и принцип построения сети литогеохимисеской съемки в зоне воздействия

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕЗУЛЬТАТЫ РЕКОГНОСЦИРОВОЧНОГО ЭТАПА ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ЗОЛОШЛАКООТВАЛА ПЕРВОМАЙСКОЙ ТЭЦ (Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ) И ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ СЕТИ ЛИТОГЕОХИМИСЕСКОЙ СЪЕМКИ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

А.П. Ельмеева, И.И. Подлипский

Аннотация. В статье представлены общие сведения о влиянии ТЭЦ и золошлакоотвалов на компоненты среды, способах использования ценных компонентов зол-уноса в разных областях промышленности, результаты рекогносцировочного обследования золошлакоотвала Первомайской ТЭЦ и принцип построения сети отбора в зоне воздействия исследуемой ТЭЦ.

Ключевые слова: ТЭЦ, золошлакоотвал, зола-уноса, элементы-примеси, алюмосиликатные полые микросферы, литогеохимичекая съемка.

A.P. Elmeeva, I.I. Podlipskiy. Results of the recognosive stage of ecological-geological evaluation ash dump of Pervomayskaya CHPP (Saint Petersburg) and the principle of construction of the network of lithogeochemistic shooting in the zone of impact

Abstract. The article presents general information on the impact of CHPP and ash dumps on environmental components, use valuable components of fly ash in various industries, the results of reconnaissance survey of the ash dump of Pervomaiskaya CHPP, and the principle of constructing a selection network in the affected area by CHPP.

Keywords: CHPP, ash dump, fly ash, impurity elements, aluminosilicate hollow microspheres, lithogeochemical survey.

Теплоэлектростанции, потребляя свыше трети добываемого топлива, могут оказывать существенное воздействие как на окружающую среду в районе их расположения, так и на биосферу в целом. Особую опасность для окружающей среды представляют тепловые электростанции, использующие в качестве источника энергии твердое топливо. В настоящее время за счет сжигания твердых топлив производится более 40% электроэнергии, потребляемой во всех странах. Как известно, сжигание твердых топлив сопровождается образованием золошлаковых отходов, из которых более 90% составляет зола-уноса [1]. Объектом нашего исследования является прилегающая к ТЭЦ Первомайская (Кировский р-н, г. Санкт-Петербург) территория и зона захоронения золошлакового материала. Хранение этих отходов в отвалах сопряжено с отторжением значительных земельных территорий и неблагоприятным экологическим воздействием.

Газовые и аэрозольные выбросы и сточные воды теплоэлектростанций.

Количество и состав газовых и аэрозольных выбросов в первую очередь зависит от зольности используемого топлива. Наибольшую зольность имеет твердое топливо (каменный и бурый угли, горючие сланцы). При сжигании твердого топлива наряду с окислами основных горючих элементов - углерода и водорода, в атмосферу поступают летучая зола с частицами недогоревшего топлива, сернистый и серный ангидриды, окислы азота, некоторое количество фтористых соединений, а также газообразные продукты неполного сгорания топлива (окись углерода (СО), углеводороды (СН4-), С2Н4, полициклические ароматические углеводороды) [2].

Также тепловые электростанции являются источниками сточных вод: охлаждающие воды, вызывающие тепловое загрязнение водоемов; сточные воды водоподготовительных установок и конденсатоочисток; воды, загрязненные нефтепродуктами; отработанные растворы после химической очистки теплосилового оборудования и его консервации; воды систем гидрозолоудаления на ТЭС, работающих на твердом топливе [2].

Твердые отходы теплоэлектростанций.

При сжигании углей минеральные компоненты преобразуются в золу и шлак, которые складируются как отходы энергетического производства в золоотвалах. В состав золы и шлака входят зёрна кварца и глинистых минералов, частицы стекловидного материала, сходного с вулканическим стеклом, частицы новообразованных минералов - муллита, магнетита, ферросилиция и других. Присутствуют и частицы несгоревшего угля; их особенно много при сжигании антрацита.

Зола является мелкозернистым материалом - около трети зёрен имеют размеры 1-5 мм, оставшиеся - десятые доли миллиметра, около 20% - сотые доли. Большинство зёрен имеет форму шариков, которые образуются при остывании капель расплава во взвешенном состоянии в дымовых газах.

С точки зрения химического состава главный компонент золы и шлака - оксид кремния SiO2 (45-60%), далее идут оксид алюминия Al2O3 (15-25%), оксиды железа Fe2O3 (5-15%), оксид кальция СаО (1,5-4,5%), оксид калия К2О (2,0-4,5%) и некоторые другие оксиды, содержание которых обычно не превышает одного процента [3].

Элементы-примеси - под этим названием чаще всего объединяются химические элементы, средние концентрации которых в углях не превышают нескольких процентов, на их долю обычно приходится не более 1%. В их числе: Be, F, Cl, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Se, Cd, Sb, Те, W, Hg, Pb, Th, U [4]. При высоких температурах сжигания углей часть этих элементов попадает в атмосферу, оказывая существенное влияние на природную среду и живые организмы. Некоторые примеси являются промышленно значимыми. К ним относятся уран, галлий, германий и др.

Также некоторые элементы-примеси, содержащиеся в угле, являются естественными радионуклидами (ЕРН), что приводит к радиационному загрязнению среды в районах сжигания топлива, поскольку значительная их часть поступает в атмосферу в составе дымовых уносов.

Также при сжигании углей часть элементов-примесей в большей или меньшей степени переходят в золу, причём их концентрация в золе может оказаться значительно выше, чем в сжигаемом угле. Средние концентрации элементов-примесей в золах углей мира получили название зольных кларков. Для многих элементов-примесей (теллура, германия, молибдена, урана, кадмия, ртути, висмута, сурьмы и селена) они больше, чем кларки этих элементов в осадочных породах [4].

В золе и шлаках тепловых электростанций содержится ряд компонентов, обладающих уникальными свойствами, позволяющими использовать их в различных областях производства. К основным направлениям использования минеральной части углей относятся: производство концентратов редких металлов - германия, галлия, скандия, иттрия; производство сплавов типа ферросилиция, силумина, ферроалюмосилиция; производство глинозема, коагулянтов - сульфата или хлорида алюминия; производство строительных материалов (цемент, кирпич, каменное литье, дренажные трубы, теплоизоляционные материалы); известкование кислых почв, замена известняка или доломита [5].

Наиболее ценным компонентом зол уноса являются сферические частицы алюмосиликатного химического состава, называемые алюмосиликатными микросферами (АСМ). Их содержание в золах уноса зависит от ряда причин, в числе которых состав минеральных компонентов углей и способ сжигания топлива.

Алюмосиликатные полые микросферы образуются сжигании углей в результате плавления минеральных компонентов, последующего дробления расплава мельчайшие капли и их расширения за счет увеличения объема газовых включений. Вещественный состав минеральных компонентов углей, при сжигании которых образуются микросферы, характеризуется преобладанием глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита) и гидрослюд (иллит, хлорит), а также кварца; в значительно меньшем количестве содержатся кальцит, пирит, доломит, магнезит, сидерит [6]. При сжигании угля данные минералы подвергаются дегидратации, аморфизации, декарбонизации, окислению сульфидов и соединений двухвалентного железа. В результате образуются новые соединения, которые также претерпевают различные химические реакции и фазовые превращения: кристаллизацию, плавление, взаимодействие с углеродом и т.д.

Одним из необходимых факторов, способствующих образованию алюмосиликатных микросфер, является газовыделение из минеральной части при высоких температурах, поэтому газовый состав в полости сферы может характеризовать процессы, протекающие при их формировании. Также одним из источников газа является кристаллизационная вода глинистых минералов. Возможно также попадание небольшого количества газов из топочного пространства вследствие диффузии.

Необходимо отметить, что частицы сжигаемого топлива пребывают в зоне высоких температур (свыше 1000°С) очень короткий промежуток времени, поэтому большинство вышеперечисленных процессов не доходит до равновесного состояния, вследствие чего различные частицы зол уноса находятся на разных стадиях термических превращений. По этой причине процесс образования микросфер в большинстве случаев остается незавершенным из-за быстрого выноса частиц потоком воздуха из зоны нагрева или из-за разрыва их давлением газа. Те капли, в которых внутреннее давление газа уравновешивается силами поверхностного натяжения, образуют полые шарики. В остальных происходит разрыв капель, либо они остаются просто силикатными шариками, сплошными или пористыми). Их количество в золах уноса может составлять до 80-90% [3].

Химический состав минеральных компонентов углей и зол уноса очень близок, но состав алюмосиликатных полых микросфер несколько отличается. По сравнению с минеральным веществом углей и их зольных уносов для микросфер характерно повышенное содержание алюминия, калия и кремния, а количество железа и кальция ниже, чем в золе исходного топлива. Микросферы обеднены токсичными микроэлементами (мышьяк, кадмий, свинец, сурьма, селен и др.), образующими газообразные соединения в зоне высоких температур. Образовавшиеся соединения могут конденсироваться на поверхности частиц золы после остывания продуктов сжигания. Микросферы также обеднены другими микроэлементами, распределенными равномерно между шлаками и зольным уносом (естественные радионуклиды, марганец, стронций, барий, кобальт, ванадий и т.д.).

Основными компонентами фазово-минерального состава микросфер являются стеклофаза, муллит и кварц. В качестве примеси могут присутствовать гематит, полевой шпат, магнетит, гидрослюда, оксид кальция. Иногда на поверхности как внутренних, так и внешних микросфер наблюдаются мельчайшие кристаллы (например, гипса или ангидрита). Предполагается, что происходит кристаллизация минеральных соединений из жидкости, конденсирующейся на поверхности микросфер.

Близкие значения удельной теплоемкости и теплопроводности АСМ имеют широко используемые в промышленности теплоизоляционные материалы. АСМ являются хорошими диэлектриками. Уровень удельной эффективной активности естественных радионуклидов ниже контрольного уровня для материалов, применяемых в жилищном строительстве, и составляет 280 Бк/кг [6].

Алюмосиликатные полые микросферы - термостойкий, гидрофобный, химически стойкий материал, по таким параметрам как гигроскопичность, стойкость к воздействию кислот и щелочей, по показателю водопоглощения, значительно превосходит промышленно выпускаемые стеклянные микросферы.

Исходя из постулата относительной устойчивости АСМ в окружающей среде (прежде всего, в почве и донных отложениях), по факту установленного наличия и качественного и количественного состава микросфер (в сравнении с составом зологлакового материала в отвале) можно говорить о возможной связи литогеохимических особенностей окружающей угольные ТЭЦ среды.

Рекогносцировочный этап исследования воздействия Первомайской ТЭЦ и золошлакоотвала.

Объектом настоящего эколого-геологического исследования являлась Первомайская ТЭЦ, которая в настоящее время уже не работает на угле, но до 2012 года использовала твердое топливо из Кузнецкого угольного бассейна.

В настоящее время ТЭЦ работает на газовом топливе и обеспечивает тепловой энергией промышленные предприятия, жилые и общественные здания юго-западной части Санкт-Петербурга. В зоне теплоснабжения станции также находится ряд крупных системообразующих производственных площадок. До реконструкции, завершившейся в 2012 году, зола и шлак с ТЭЦ направлялись в золошлакоотвал у края Угольной гавани, располагающейся в устье р. Красненькая (юго-восточная часть Невской губы) (рис. 1). Общая площадь, занимаемая золошлакоотвалом, составляет около 130 га. В настоящее время часть территории занята Юго-Западной ТЭЦ и ЗАО «Контейнерный терминал Санкт-Петербург», кроме того, золошлакоотвал является местом складирования загрязненных донных отложений, извлеченных в ходе проведения дноочистных работ в реках и каналах города.

На первом этапе исследования было проведено рекогносцировочное обследование территории золошлакоотвала, целью которого является визуальное обследование местности. В состав рекогносцировочных исследований входит маршрутное обследование территории и дешифрирование данных дистанционного зондирования. Маршрутное обследование проводится с целью картирования расположения потенциальных источников загрязнения (промышленных предприятий, полигонов ТБО, свалок и др.) и визуальных признаков загрязнения.

Поскольку значительная часть территории золошлакоотвала в настоящее время занята промышленными предприятиями, было проведено рекогносцировочное обследование лишь небольшого участка в юго-восточной части золошлакоотвала. Грунты на исследуемой территории можно охарактеризовать как избыточно увлажненные. Растительность распределена неравномерно и представлена различными видами злаков. Изредка встречается невысокая древесная растительность (род Salix). На некоторых участках растительность представлена лишь мхами (род Polytrichum и др.) или вовсе отсутствует. Установлено, что именно для этих участков характерен выход золошлаковых отходов на поверхность. Результатом проведенного рекогносцировочного обследования является карта с отмеченными на ней точками выхода золошлаковых отходов на поверхность, необходимая для разработки сети отбора проб грунтов на последующих этапах исследования [7].

Также был проведён статистический анализ данных о составе грунтов, отобранных на участке золошлакоотвала, расположенного на территории ЗАО «Контейнерный терминал Санкт-Петербург» (рис. 1) [8]. Согласно результатам расчет коэффициентов концентрации по отношению к фоновым значениям для почв Ленинградской области, территория участка относится к категории загрязнения «опасная» (показатель суммарного загрязнения Zc=37,8). Значительные превышения над фоном зафиксированы практически по всем изученным элементам и веществам (As, Cd, Cu, Cr, Hg. Mn, Ni, Pb, V, Zn и непредельные углеводороды (НУВ)).

По микробиологическим показателям «индекс бактерии группы кишечной палочки (БГКП)», большинство отобранных проб почвы относится к категории «чистая». В соответствии с Приказом МПР РФ №536, исследованный грунт относятся к V классу опасности для окружающей среды и характеризуется отсутствием острой токсичности.

Построение сети отбора проб в зоне воздействия Первомайской ТЭЦ и золошлакоотвала

Второй этап исследования был направлен на создание сети литогеохимической съемки в зоне предполагаемого воздействия Первомайской ТЭЦ.

На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота источника, диаметр устья и т.п. По мере удаления от «трубы» в направлении, совпадающим с направлением ветра, концентрация вредных примесей в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигает максимума на расстоянии 10-40 высот трубы и затем медленно убывает, что позволяет говорить о наличии трех зон неодинакового загрязнения атмосферы: зоны переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы, зоны задымления с максимальным содержанием вредных веществ и зоны постепенного снижения уровня загрязнения [9, 10, 11, 12]. В зависимости от высоты, источники выбросов относятся к наземным (до 2 м включительно) низким (от 2 до 10 м включительно), средней высоты (от 10 до 50 м включительно), высоким (свыше 50 м) [11].

Трубы Первомайской ТЭЦ имеют высоту 100 м, поэтому их можно отнести к высоким источникам выбросов, для которых характерно расположение зоны наибольшего загрязнения на расстоянии 10-40 высот труб. Для установления расположения этой зоны на карте были отмечены две окружности с радиусами, в 10 и 40 высот трубы (1000 м и 4000 м соответственно), и центром, совпадающим с центром ТЭЦ.

Рис.1. Карта-схема расположения точек отбора проб

золошлакоотвал теплоэлектроцентраль литогеохимисеский съемка

При контроле загрязнения почв предприятиями промышленности пробные площадки намечают вдоль векторов «розы ветров» [13, 14]. Для установления области вероятного распространения газовых и аэрозольных выбросов в атмосферу на карту был наложен контур «розы ветров», характерной для зимнего периода в г. Санкт-Петербург. При этом центр «розы ветров» должен совпадать с центром ТЭЦ.

Далее контур «розы ветров» увеличили до такого размера, чтобы она стала вписанной в окружность с радиусом 4000 м. В итоге на площади, оказавшейся внутри полученной «розы ветров», была построена сеть отбора проб 1:100 000 масштаба для проведения дальнейшей литогеохимической съёмки (рис. 1).

Библиографический список

1. Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В. и др. Компоненты зол и шлаков ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1995, 176 с.

2. Рихтер Л.А., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. 296 с.

3. Кизильштейн Л.Я. Следы угольной энергетики. / Наука и жизнь. 2008. №5.

4. Кизильштейн Л.Я. Экогеохимия элементов-примесей в углях. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2002, 296 с.

5. Пашков Г.Л. Золы природных углей - нетрадиционный сырьевой источник редких элементов. // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7, №11.

6. Дрожжин В.С., Шпирт М.Я. и др. Процессы образования и основные свойства полых алюмосиликатных микросфер в золах-уноса тепловых электростанций. Химия твердого топлива, 2008, №2, с. 53-66.

7. Ельмеева А.П., Подлипский И.И. Экологическая оценка компонентов среды в зоне воздействия ТЭЦ и золошлакоотвала (Кировский район, г. Санкт-Петербург. / Материалы XVII межвузовской молодежной научной конференции «Экологические проблемы недропользования». СПб.: Изд-во СПбГУ, 2017, с. 100-101.

8. Технический отчёт по инженерно-экологическим изысканиям на ЗАО «Контейнерный терминал Санкт-Петербург». ОАО Леннморниипроект. Арх. №72414. Т. 2, 2008, 143 с.

9. Ветошкин А.Г. Основы инженерной защиты окружающей среды: Учебное пособие. 2-е изд. - Вологда: Инфра-Инженерия, 2016, 456 с.

10. Подлесных А.И., Лаврусевич И.А. Геоэкологические проблемы цементного производства. // Разведка и охрана недр. 2016. №6. с. 46-51;

11. ОНД-86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». - Л.,Гидрометеоиздат,1987

12. Гарин В.М. Экология для технических ВУЗов: учебник. / В.М. Гарин, И.А. Кленова, В.И. Колесников. Ростов-на-Дону: Феникс, 2001, 384 с.

13. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки почв для химического, бактериологического, гельминтологического анализа: ГОСТ 17.4.4.02-84 М.: ИПК Издательство стандартов, 1985, 45 с.

14. Солодков Н. Н. Геохимические потоки в денудационных и трансаккумулятивных ландшафтах Среднего Поволжья. // Проблемы региональной экологии. М.: «Камертон», 2014. №3, с. 46-50

Размещено на Allbest.ru