Подробно о хвостах: когда пылят, как закреплять, влияют ли на здоровье и как предугадать, что будет дальше?

В издательстве Кольского научного центр вышла монография, посвященная актуальной теме – пылению хвостов обогащения апатит-нефелиновых руд, как экологической проблеме. Коллектив авторов представил и пути решения этой насущной проблемы.

Книга разделена на три основные главы. В первой можно прочесть о том, что представляют из себя исследуемые объекты и как интенсивность пыления хвостохранилищ зависит от изменений климата. Здесь описаны результаты натурных исследований влажности и плотности хвостов обогащения в естественном залегании, приведен обзор методов рекультивации и консервации промышленных отходов, представлены результаты исследования связующих реагентов для закрепления пылящей поверхности хвостохранилища АНОФ-2 КФ АО «Апатит». Во второй главе авторы делятся результатами мониторинга загрязнения микрочастицами атмосферного воздуха Апатитов в летний период, а также собственным взглядом авторов на взаимосвязь температуры и влажности материала хвостов обогащения на базе обработки цифровых фотоснимков лабораторных экспериментов и цветовых моделей. В третьей приведены результаты численного моделирования процессов пыления на объектах горнопромышленного комплекса и загрязнения атмосферы населенных пунктов на примере района хвостохранилища АНОФ-2 и Апатитов. Представлены предыстория исследований процессов пыления хвостов АНОФ-2 в 1980–1990 годы, показано использование двух- и трехмерных CFD-моделей загрязнения атмосферы мультидисперсной примесью вниз по ветровому потоку, а также дана оценка эффективности технологических мероприятий по снижению процесса пыления на пляжах хвостохранилища.

Ученые Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН Павел Амосов, Андрей Горячев, Евгения Красавцева, Дмитрий Макаров, Владимир Маслобоев и Антон Светлов вместе с соавторами представили исследования пыления хвостов обогащения Кировского филиала АО «Апатит» и оценили связь метеорологических параметров теплого периода и интенсивности пыления хвостов, приводящих к превышению ПДК на территории города Апатиты. Также сделан подробный обзор современных способов подавления эмиссии пылевых частиц при эксплуатации действующих и законсервированных хвостохранилищ и приведены результаты испытаний новых связующих реагентов, представлены результаты компьютерного моделирования процессов пыления на хвостохранилище АНОФ-2 и загрязнения атмосферы мультидисперсной примесью на базе двух- и трехмерных CFD-моделей. Авторы подчеркивают, что кроме хвостохранилищ значительную нагрузку на атмосферный воздух оказывают транспорт и другие промышленные предприятия, а также отмечают роль зеленых зон как на санитарно- защитных полосах, так и в городе.

Пыление горнопромышленных отходов, действительно, большая проблема – происходит загрязнение воздуха, почвы, водоемов, а значит, и борьба с ним является важной задачей для ученых и производственников. И хотя атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество твердых взвешенных веществ, в обиходе называемых пылью, именно техногенная пыль поставляет в окружающую среду химические элементы и их соединения, интенсивно концентрируя их в пределах, превышающих природные. Влияет пыль, в зависимости от размера микрочастиц и их состава, и на организм человека, вызывая аллергические реакции, раздражение и воспаление слизистых оболочек дыхательных путей, глаз, а в тяжелых случаях заболевания легких и крови. При этом наиболее опасна пыль негашеной извести, каменноугольного пека, карбида кальция, цемента, действие которой подобно действию щелочи. В целом, в зоне воздействия техногенных массивов наблюдается ухудшение показателей здоровья населения: снижение продолжительности жизни, увеличение заболеваемости (особенно органов дыхания у детей), врожденных патологий.

Авторы отмечают, что хвосты апатитовой флотации обогатительных фабрик Кировского филиала (КФ) АО «Апатит» – одни из крупнейших разновозрастных техногенных минеральных образований на территории Мурманской области. Хвостохранилище АНОФ-1 в излучине реки Белой в трех километрах от Кировска в 1957-1962 годы заполнялось отходами обогащения руд Кукисвумчоррского и Юкспорского месторождений. Хвостохранилище АНОФ-2 в губе Белой озера Имандра эксплуатируется с 1968 года по настоящее время, а хвостохранилище АНОФ-3 в трех километрах от поселка Титан – с 1963 года по настоящее время. Ученые уделили основное внимание отходам обогащения руд хвостохранилища именно АНОФ-2, исследования которых проходят последние 10 лет.

Интересны цифры. Так, за всю историю АНОФ-2 выработано более 450 миллионов тонн апатитового и свыше 40 миллионов тонн нефелинового концентратов, сформировано одно из крупнейших в России по площади и объему техногенного массива — хвостохранилище АНОФ-2, которое находится в девяти километрах на северо-запад от Апатитов. Кроме отвальных хвостов обогащения апатит-нефелиновых руд там размещаются и тонкодисперсные золошлаковые отходы Апатитской теплоэлектростанции. Общая площадь хвостохранилища АНОФ-2 составляет почти восемь квадратных километров, а периметр по дамбе обвалования — более 11 км. Ежегодно с обогатительной фабрики на хвостохранилище поступает более шести миллионов кубометров хвостов обогащения, а объем хвостов, уложенных с начала эксплуатации АНОФ-2, составляет почти 640 миллионов кубометров.

Если говорить о связи метеорологических параметров теплого периода года и интенсивности пыления хвостов, то количество случаев превышения ПДК пыли в воздухе Апатитов за период 2001–2019 годов варьирует от одного до 15 в год. Максимальное число раз повышенной концентрации пыли зафиксировано в июле: 35 случаев. В мае и июне – по 22 случая, в августе — 13, в сентябре — один. Закономерно, что наибольшее число случаев превышения ПДК приходится на ветры северо-западного направления.

Анализ метеорологических параметров теплого периода показал, что в последнее десятилетие наблюдается существенное (более чем на 2^о С) повышение среднемесячной температуры в мае. С этим связан более ранний сход снежного покрова и увеличение продолжительности потенциальной возможности пыления хвостов. Сопоставление изменения влажности проб хвостов, отобранных на одной и той же площади, показало, что уже через 10–15 дней после схода снежного покрова при отсутствии атмосферных осадков даже в случае среднесуточной температуры ниже 5–8^о С возникает опасность пыления.

«Отмеченные в последние десятилетия тенденции изменения климата в районе расположения хвостохранилища свидетельствуют об увеличении продолжительности периода возможного интенсивного пыления пляжей и откосов хвостов при наступлении неблагоприятных метеорологических условий и, следовательно, частоты случаев превышения ПДК в атмосфере города Апатиты. Эти обстоятельства, с одной стороны, обусловливают целесообразность ведения мониторинга при наступлении неблагоприятных метеоусловий с отбором разовых проб воздуха, определений направления и скорости ветра, температуры и влажности воздуха непосредственно на хвостохранилище. С другой стороны, необходимы поиск и внедрение новых технологий для предотвращения пылеобразования», – подводят итог ученые.

Для снижения техногенной нагрузки на предприятии внедрен целый комплекс природоохранных мероприятий, и наиболее эффективное из них – закрепление пляжей хвостохранилища и бортов его дамбы посевом многолетней травы — волосенца песчаного, а для снижения пыления внутренних производственных дорог их орошают раствором лигносульфоната — побочного продукта переработки древесины в целлюлозно-бумажной промышленности. Отдельно авторы приводят обзор методов снижения пыления отвалов горнопромышленных отходов: механический (засыпка инертным материалом, щебнем или гравием), физико-химический (обработка связующими составами) и биологический (нанесение плодородного грунта с посевом растений).

Вторая глава начинается с рассказа о наблюдении загрязнения воздуха города Апатиты микрочастицами – измерения концентрации пыли в атмосферном воздухе проводили летом 2022 года с помощью прибора экологического контроля CEM DT-9881) на высоте 1,5 метра от поверхности в черте города Апатиты. Отобранные пробы атмосферной пыли, а также тонкие классы поверхностного слоя хвостохранилища апатит-нефелиновых руд исследовали в лабораторных условиях. Оказалось, все пробы в том или ином количестве содержат минералы, характерные для отходов обогащения апатит-нефелиновых руд, — нефелин, титанит, натролит, содалит. Пробы атмосферной и фоновой пыли отличаются гораздо меньшим их содержанием и преобладанием кварца. А вот индикатором загрязнения атмосферного воздуха города Апатиты пылью хвостов обогащения может служить минерал содалит. В пробах атмосферной пыли он присутствует в виде единичных зерен и малочисленных сростков с нефелином, в пробе фоновой пыли его содержание превышает 1 %.

Но не только хвостохранилища влияют на воздух в Апатитах, а еще и транспорт, Апатитская ТЭЦ, промышленные предприятия в самом городе, частые возгорания на полигоне твердых коммунальных отходов, мелкие частицы мусора, который накапливается на территории города. Так, в пробах атмосферной пыли зафиксировано присутствие мелких частиц окисленного железа, бесцветного пластика, круглые металлические шарики окалины, мелкие осколки темного стекла.

Мониторинг показал и временные закономерности. Оказалось, что наиболее интенсивно пыление происходит после нескольких дней без атмосферных осадков. А вот дождь, попадая на сухую поверхность пляжа хвостохранилища, не увлажняет и закрепляет, а наоборот, испаряясь, способствует быстрому высыханию и нагреву поверхности пляжей, и пыление возобновляется в интервале от нескольких часов до 1–2 суток после выпадения осадков.

Если говорить о зелени в городе, то она не влияет на ситуации значительных превышений ПДК при пылении и не снижает концентрацию пыли в приземном слое воздуха.

Для ученых важно не только привести и проанализировать результаты многолетних наблюдений, но и разработать новые методы работы с техногенными месторождениями. Подробное повествование об этом – в главе «Численное моделирование процессов пыления на объектах горнопромышленного комплекса и загрязнения атмосферы населенных пунктов (на примере хвостохранилища АНОФ-2 и города Апатиты». Авторы монографии знакомят читателей с результатами цикла исследований, посвященных прогнозу рассеяния мультидисперсной пыли при вариации высоты пляжной зоны хвостохранилища АНОФ-2 для района города Апатиты. «Результаты анализа численных экспериментов по оценке загрязнения атмосферы города Апатиты с учетом реальной площади пыления (на уровне 10 га) свидетельствуют: при скорости ветра до восьми м/с не прогнозируются ситуации превышения ПДК по пыли в городе Апатиты; дальнейший рост скорости ветра при сохранении реальной площади пыления, безусловно, будет приводить к существенному превышению уровня ПДК; соблюдение условия санитарно-гигиенических норм при штормовых ветрах (20–23 м/с) возможно обеспечить за счет сокращения текущей площади пыления по крайней мере на порядок» – говорится в этой главе.

Монография адресована инженерно-техническим работникам химической промышленности, научным работникам, экологам-практикам, студентам вузов, а также жителям районов размещения горно-обогатительных комбинатов и заинтересованных в чистой атмосфере. Авторы книги подводят итог своей большой работе так: несмотря на то что выполненные ими и представленные в монографии результаты не являются исчерпывающими и требуют дальнейшего осмысления, все же есть основания полагать, что «приведенная информация и знания составляют те «кирпичики» научного обоснования, которые станут основой решения проблемы пыления хвостов обогащения».