Типы и сферы воздействия цветной металлургии на природную среду

Цветная металлургия России производит ежегодно до 5 млн т спла­вов цветных и редких металлов. Несмотря на резкий спад валового про­изводства в 1991—1994 гг., объемы валового выброса в атмосферу в 1995 г. составили 3 млн 588 тыс. т, в том числе сернистого ангидрида — 2 млн т, токсичных отходов — 15 млн 400 тыс. т (вещества 1-го класса опаснос­ти — 6 млн 500 тыс. т). Из применяемых в отрасли технологий только| 10% соответствуют мировому уровню. Устаревшее и требующее мо­дернизации оборудование, низкий технический уровень производства, «грязные» технологии, отсутствие средств на совершенствование сис­тем улавливания и утилизации отходов — все это делает невозможным нормализацию экологической обстановки и способствует фор­мированию в металлургических центрах катастрофической экологи­ческой ситуации. Сферы воздействия на природную среду крупных центров цветной металлургии достигают огромных площадей.

Цветной металлургии как отрасли промышленности присущи высокая отходность производства и особенно высокая токсичность вы­бросов в атмосферу и сбросов в воду, которые представляют большую экологическую опасность для человека и для ландшафта в целом. Воз действие цветной металлургии на ландшафты осуществляется сложными сочетаниями технологических переделов — горно-металлургическими комбинатами, включающими в себя добычу, обогащение руд и им плавку цветных металлов производствами неполного цикла.

Заводы и комбинаты по выплавке цветных металлов поставляют в атмосферу и воду многие металлы и газы (рис. 17). Например, помимо тяжелых, редких и легких металлов заводы медной, никелевой и дру-гих подотраслей цветной металлургии выбрасывают в атмосферу сер­нистый газ; алюминиевые производства — фтористый водород; редкометаллические и магниевые — хлор и хлористый водород.

При добыче и обогащении руд цветных металлов из земной коры извлекаются на поверхность доступные для миграции многие редкие химические соединения. Так, при производстве никеля используется лишь около половины компонентов медно-никелевых руд, при переработке медно-колчеданных руд поступает на земную поверхность и рассеивается в ландшафтах более 15% меди, около 50% цинка, 45% серы, 15% благородных металлов и т.д.

Экологическая опасность воздействия производств цветных метал­лов на ландшафт усиливается, если руды цветных металлов перерабатываются в месте их добычи, так как в этом случае происходит поступление техногенных выбросов в ландшафты, сформировавшиеся в I креолах рассеивания рудных месторождений, в которых воды, почвы I и растения, и без того обогащенные тяжелыми и редкими металлами, быстро достигают критических пределов для нормальной жизнедеятельности человека и биоты ландшафта.

Высокая комплексность производства, сочетание производств цвет­ных металлов с химическими и нефтехимическими формируют крайне неблагоприятную экологическую обстановку и представляют угрозу для человека и ландшафта, поэтому при экологической оценке технологий и цветной металлургии прежде всего должна быть указана допустимая экологичность способа производства и технологического цикла, кото­рый необходимо укрощать, если воздействие при эксплуатации каждого передела технологии уже превышает экологический потенциал оп­ределенного региона или ландшафта. При отсутствии технологических методов очистки можно добиться снижения экологической опасности территориальным разобщением технологических звеньев производств.

Содержание экологических оценок в значительной степени зависит от природных особенностей территории и типа технологий. Учет особен­ностей технологии должен вестись с позиций требований, предъявляемых производствами к природной среде, и с учетом требований природной среды и человека к технологиям. Степень экологичности связей между техникой и природой оценивается материальным потоком техногенных веществ и их миграцией и перераспределением в природной среде.

Экологичность технологий оценивается с позиций определенного природного региона в границах геотехнических систем или в рамках сфер воздействия и тяготения к промышленным узлам. Потенциаль­ной экологической опасностью обладают мощные и сверхмощные горно-металлургические комбинаты с высокой комплексностью производства, не имеющие, как правило, технологических аналогов. Сле­дует обратить также внимание на размещение металлургических про изводств с уникальными технологиями.

Степень экологической опасности при контроле за размерами из­влеченных из природы веществ для технологических целей (минераль­ных, органических, воды, воздуха и т.д.) может быть оценена превы­шением абсолютных показателей ресурсопотребления над нормативными. Для экологического контроля за расходованием ресурсом необходимо установление экологически безопасных пропорций для различных видов ресурсов на ландшафтной, зональной и региональ­ной основах. Особенно строго должен контролироваться материаль­ный поток техногенного вещества в природу на основе зональных норм выброса различных производств и их сочетаний, причем «работать» эти нормы должны на фоне уже существующего загрязнения региона.

Таким образом, анализ технических и технологических параметров должен исходить из нормативных и реальных потребностей производства. Соблюдение существующих нормативов и ограничений (ПДК в воде, воздухе, почве, предельно допустимые выбросы и др.) позволяет значительно снизить отрицательный эффект техногенного воз действия путем принятия альтернативных технологических решений. При экологической оценке технологий крупного производства цветных металлов в рамках проектируемых или уже действующих до­бывающих, обогатительных и выплавляющих природно-техногенных систем балансовым методом оцениваются экологические связи распространения и перераспределения потоков техногенных веществ, что позволяет оконтурить сферу воздействия производств цветных метал­лов на природу. Характеристика «выхода» технологической цепи не­обходима для количественной и качественной оценок потока в при­роду. Важно рассмотреть все внешние каналы связи металлургическо­го комбината с природной средой (см. рис. 14, 17).

Процессы механической, термической и химической обработки сы­рья в цветной металлургии сопровождаются выбросами газов, а также пыли тяжелых металлов. На всех этапах технологической цепи необхо­дим экологический контроль за объемом и формой выбросов. В качестве примера можно привести структуру воздействия технологии производств цветных металлов на природную среду (см. рис. 17). Причем в окружаю­щую среду поступают не только элементы основного производства, но и многие сопутствующие. Оценка опасности поступления техногенных веществ выявляется при сопоставлении абсолютных значений выбросов с санитарно-гигиеническими и другими нормативами, в том числе с предельно допустимыми выбросами для определенного зонального типа ландшафтов. Должны также прорабатываться различные варианты улав­ливания, складирования и использования отходов производства в каче­стве будущего сырья основного и вспомогательных производств. Необ­ходимо вести поиски технологических решений извлечения металлов и редких земель из отвалов многокомпонентного состава. Целесообразна инвентаризация отвалов, определение возможности их дальнейшего использования и экологической опасности складирования, особенно в непосредственной близости от жилья.

Установление геохимического ареала рассеивания техногенных веществ — это выявление сферы воздействия действующих технологий и оценка потенциальной возможности миграции и аккумуляции тех­ногенных выбросов в ландшафте. Интенсивность воздействия оцени­вается уровнем поступления выбросов в сферу влияния производства (т/км²) и соотнесения этих показателей с фоновыми значениями для зонального типа ландшафта. Важны также характеристика условий миг­рации техногенных веществ, выявление их подвижности, наличие гео­химического барьера, возможности смены геохимической обстановки м результате поступления кислых или щелочных выбросов и т.д.

Устанавливается уровень накопления ингредиентов выбросов эле­ментами и компонентами ландшафта, определяется превышения их содержаний в воздухе, воде, снеге, почве, растениях над фоновыми значениями (региональный фон и т.д.). Экологический контроль за этими показателями заключается в сравнении их с критическими значениями для человека, животных, растений и для зонального типа ландшафта и целом, при резком (в десятки раз) превышении необходимо планиро­вать дополнительную очистку выбросов и специальные мероприятия.

Контролируется содержание ингредиентов сбросов не только в сточных водах, но и в фильтрационных из хвостохранилищ и в так называемых «условно чистых водах» дождевых и промливневых с территорий. Основные значения ингредиентов сбросов не должны превышать гидрохимический фон для ландшафтов, сформированных на рудных месторождениях, а в некоторых случаях предельно допустимых значе­ний для питьевых и рыбохозяйственных водоемов. Каждый элемент сброса в воду должен оцениваться абсолютным значением, кратностью разбавления и превышением над фоновыми содержаниями и ПДК Здесь же должна даваться общая оценка экологической опасности за­грязнения водоемов для гидробионтов в сфере воздействия.

Экологический контроль за общим выбросом комплекса цветной металлургии должен осуществляться на основе предельных норм зо­нального типа ландшафта, которые устанавливаются по критическо­му поступлению в ландшафт тяжелых металлов и газов. Использова­ние методов ландшафтной и биологической индикации способствует фиксированию нарушений в биотических и абиотических элементах ландшафта, выявлению их техногенных трансформаций и модифика­ций при том или ином поступлении тяжелых металлов.

Критическим считается такое поступление, которое не вызывает накопление техногенных веществах в концентрациях, токсичных для растений, животных, человека, и не вызывает струк­турных техногенных трансформаций ландшафта.

По отношению к критическому и должно оцениваться общее поступление выбросов в природу. Пространственно-временные ряды техногенных модификаций ландшафтов и длительность их существования устанавливают на основе изученных промышленных объектов-аналогов. Накопление токсичных техногенных веществ в техногенно моди­фицированных и трансформированных элементах и компонентах ландшафта приводит к ломке и перестройке структуры ландшафта и о деградации на больших пространствах. Таким образом, производство цветных металлов представляет большую экологическую опас­ность для ландшафта и человека.

При изучении техногенных модификаций ландшафтов в сферах воздействия производств цветных металлов в северной и южной тайге, полупустынной и пустынных зонах и горных субтропиках Армении удалось установить функционально-динамические ряды нарушений ландшаф­тов, которые могут быть использованы при прогнозировании воздействия идентичного производства в заданных природных условиях.

Общая схема нарушения ландшафтов под влиянием техногенных выбросов экологически опасных производств цветных металлов следующая: ограничение видового разнообразия в элементах ландшафта -> выпадение элемента —> ломка структуры компо­нента ландшафта по пути его упрощения -> выпадение компо­нента ландшафта —> ломка вертикальной и горизонтальной структур ландшафта, упрощение его морфоструктуры за счет вы­падения и образования техногенно трансформированных морфо­логических частей — > нарушение массоэнергообмена в ближай­шем окружении ландшафта (нарушение водного режима, усиле­ние массопереноса — эрозия) —> уменьшение запаса жизни —> снижение либо полная потеря биогеогоризонтов и т.д., переход на менее устойчивый уровень (в зональном и азональном планах). Нарушения структуры ландшафта происходят под влиянием ме­ханических, термических и химических воздействий. Об устойчивости морфологической структуры ландшафтов можно судить по возможности существования их переменных состояний, числен­ности ряда техногенных модификаций, длительности существования тех или иных модификаций, глубине ломок структуры ландшафта. При воздействии производств цветных металлов трансформации ландшафтов настолько сильны, что их дальнейшее развитие идет по азональному типу со смещением в сторону более просто организованной биоты.

Использование методов и принципов ландшафтной индикации загрязнения природной среды на примере комбината «Североникель»

В 1970—1990 гг. при изучении воздействия комбината «Северони­кель» на северотаежные и тундровые ландшафты Приимандровой равнины и Мончетундры были разработаны принципы ландшафтном индикации загрязнения природной среды и определены экологические нормативы для ландшафтов в виде критического поступлении выбросов в ландшафт.

Экологический мониторинг в 1973—1976 гг. состоял из полустационарных наблюдений за режимом выбросов тяжелых металлов и сернистых соединений, за условиями распространения и перераспределения загрязняющих веществ и поступлением их в природный комплекс.

Ландшафтный мониторинг включал в себя изучение изменений геометрии зон воздействия по индикаторам, прежде всего по снежном покрову, а также динамики техногенных модификаций ландшафтов и их геохимических характеристик. Биологический мониторинг состоялиз наблюдений за состоянием фитоценозов, динамикой численности и биомассы насекомых, почвенных беспозвоночных и микроорганизмом.

Для многолетних наблюдений за динамикой природных комплексом использовался участок ландшафтной съемки площадью 80 км² и состав­лена ландшафтно-экологическая карта. Спустя 10—15 лет (в 1983—1990 п.) наблюдения были повторены; определено содержание выбросов комбината в снежном покрове, ограничен геохимический ареал воздейст­вия, измерено содержание тяжелых металлов и рН в почвах и растениях, В 1986—1987 гг. проведена еще раз ландшафтная съемка территории; вы явлена динамика техногенных модификаций ландшафтов за 13-летним период и тенденции их дальнейшей техногенной трансформации.

Рассчитаны ряды интенсивности накопления ингредиентов выбросов по отношению к природному фону, установленному в 1973 г. (ККф> Проведен дисперсионный анализ влияния загрязнения снега и загрязнения почв на состояние модифицированных ПТК в сфере воздействия. Дисперсионным анализом установлено влияние типа элементарной ландшафта (положение его в геохимическом сопряжении) на его устойчивость. Рассчитана энтропия растительного покрова и природного комплекса в целом, построены информационные модели техногенных модификаций ландшафтов, на основании которых сделаны выводы о сте­пени устойчивости северотаежных ландшафтов к воздействию комбината.

При оценке устойчивости растительности к выбросам комбината использован такой показатель разнообразия, как энтропийная мера. Наиболее информативным оказался коэффициент отношения энтропии современного нарушенного фитоценоза к энтропии условно не нарушенного фитоценоза, который существовал до воздействия комбината. Анализ энтропийной меры в техногенных модификациях позволил сделать интересные выводы (рис. 18).

Чем больше поступает техногенной информации в ландшафт, /иск меньше значение энтропийной меры, т.е. природное разнообразие состав ляющих ландшафт компонентов и элементов. Чем интенсивнее развита процессы вещественно-энергетического обмена в ландшафтах, тем вышеих энтропия.

Минимальная энтропия прослеживается в автономных (элювиальных) природно-территориальных комплексах. Поступление вещества в них происходит только аэротехногенным способом, поэтому любое нарушение сложившейся цепочки вещественно-энергетического обмена приводит к структурным, чаще всего необратимым изменениям

Первым признаком перестройки системы является перестройка ее биологической составляющей. Именно в автономных ландшафтах наи­более выражена зависимость природного разнообразия составляющих компонентов и элементов от количества поступающей техногенной информации.

Подчиненные ландшафты (понижения, днища, долины, запади­ны) характеризуются менее выраженной связью между показателем разнообразия (энтропией) и поступлением техногенного вещества. При максимальных концентрациях загрязнителей в почве растительность сохраняет способность к биопродуцированию.

По мере удаления от источника загрязнения нет ярко выражен­ной тенденции в распределении показателя энтропии. Резкое увеличение разнообразия растительного покрова выявлено на удалении 18-20 км от комбината в пойме заболоченного ручья.

Анализ распределения энтропии подтвердил большую способность подчиненных комплексов (и прежде всего пойменного и болотно-западинного типа) к перестройке и большую их устойчивость. Такая структурная перестройка выражается в смене каналов вещественно-энергетического обмена. К каналам вещественно-энергетического обмена можно отнести, например, цепочки поступления вещества и ландшафт и выноса вещества из него. Пути поступления (выноса) вещества в подчиненных ландшафтах разные — воздушный, поверхностный, миграции через почву и т.д., а привнес техногенного вещества идет только воздушным путем.

Чем более удалены природно-территориальные комплексы от комбината, тем менее контрастно распределение энтропии в ландшафтах подчиненного и автономного типов. Происходит своеобразное «выравнивание» природного разнообразия и в сопряженных природно-территориальных системах.

Рассмотрим техногенную трансформацию ландшафтов в северной и южной тайге, пустынной зоне и горных субтропиках под воздей­ствием медно-никелевого, медно-молибденового и медно-химического производств.

Низкогорный северотаежный ландшафт цокольных равнин Кольс­кого полуострова под влиянием комбината «Североникель» (интен­сивного поступления тяжелых металлов и подкисления в течение 35 лет) претерпевает сложные техногенные модификации и транс­формации (модификации перечислены от ненарушенного к сильно нарушенному состоянию). Ограничивается видовое разнообразие в мохово-лишайниковом и кустарничковом ярусах в сосновых, еловых и березовых мохово-лишайниковых и травяно-кустарничковых лесах, затем выпадает мохово-лишайниковый ярус и повреждаются древостой.

В следующей модификации нарушаются подзолистые иллювиально- железистые почвы, уничтожается растительность, происходит смыв почвенных горизонтов. И наконец, ландшафт трансформируется в техногенный комплекс, причем претерпевает перестройку даже его литогенная основа за счет смыва рыхлого материала и формирования токсичной коры выветривания. Происходит ломка структуры ландшафта, так как техногенные модификации существуют длительное время. Ряд модификаций малочислен, что свидетельствует об относительной неустойчивости ландшафта к данному типу техногенеза.

В пределах зоны структурной перестройки ландшафтов, ограничивающейся меридиональным радиусом 15—20 км и широтным радиусом 4-5 км, на площади 240 км² доминируют средненарушенные природные комплексы. В техногенных модификациях с менее измененной геохимической средой ежегодное поступление Ni — 0, 5-1, 2 т/км², Сu —1 т/км², Со — 0, 006—0, 24 т/км²; повышается содержание металлов в почвах, водах на порядок по сравнению с их содержанием в коренных урочищах. В сильно нарушенных растительных сообществах сохраняется угнетенный и сухостойный древесный и травяно-кустарничковый ярус. Заметно обеднена почвенная мезофауна.

Более длительное воздействие (от 40 до 50 лет) способствовало увеличению вдвое площади зоны структурной перестройки комплексов (от 17, 4 до 34 км²) и меридиональных радиусов воздействия. Зарегистрировано значительное увеличение размера зоны выпадения эле­ментов и компонентов ландшафтов; меридиональный радиус увеличился от 15—20 до 25—30 км; широтный радиус от 4-5 км на севере постепенно расширяется до 8—10 км на юге.

Анализ динамики ареала воздействия, установленного по содер­жанию тяжелых металлов в снежном покрове, показал, что резко повысился уровень содержания таких ингредиентов выбросов, как никель, медь, кобальт; высокие значения присущи кадмию, свинцу, цинку.

Сфера воздействия комбината «Североникель», зарегистрирован­ная по загрязнению снежного покрова из космоса, составляет приблизительно 900 км². Выявленные закономерности нарушения северо-таежных ландшафтов можно использовать при оценке воздействия аналогичных технологий в таежной зоне.

Другой пример. В среднегорных, низкогорных и горно-долинных ланд­шафтах сухих субтропиков Армении под воздействием Алавердского меднохимического комбината (200 лет воздействия, интенсивная выплавка в течение 40 лет) первичные широколиственные формации в нижних ярусах рельефа заменяются вторичными редколесьями из кизила, плодовых деревьев, кустарников, в которых увеличивается доля ксерофитных видов.

Эта техногенная модификация трансформируется в злаковые кур тины, и наконец, в ландшафте начинают преобладать урочища сильно эродированных горных склонов и долин, лишенных почвенно-растительного покрова с горизонтами отмершего органического вещества. В экстремальных горных условиях при сильном расчленении поверхности и значительных перепадах высот воздушный разнос ограничен, что создает предпосылки для сильных нарушений долинных и склоновы ландшафтов. Структурная перестройка ландшафтов настолько глубоки что восстановление ландшафта до зонального нереально. Техногенны-модификации быстро сменяют друг друга по времени, наиболее длительно существование последних стадий трансформированной природы. Ландшафт крайне неустойчив к воздействию производств цветных металлом

Интересны исследования воздействия на пустынные ландшафты Северного Прибалхашья медно-молибденового Балхашского комбината (время интенсивного воздействия 40 лет). Здесь происходи! накопление тяжелых металлов в пустынных почвах в условиях слабо щелочной реакции среды и сульфатно-кальциевого и хлоридно-сульфатно-натриевого засоления. Наиболее сильной трансформации пол вержены ландшафты замкнутых котловин. Модифицирование ландшафта идет по пути его опустынивания и соленакопления, образования техногенных барьеров.

В разных зонах влияния Балхашского горно-металлургическом, комбината в радиусе до 4, 5—5 км суммарный показатель загрязните­лей > 500; интенсивного влияния от 5 до 10 км, а в СВ направлении до 20 км суммарный показатель > 100, а также в зоне слабого влияния от 20 до 45 км суммарный показатель > 2. В верхних горизонтах серо бурых пустынных почв и почв солончаков интенсивно накапливаются медь, свинец, серебро, хром и т.д. Формирование техногенных аномалий в верхних горизонтах почв и резкое снижение их содержании на порядок с глубиной объясняются значительным воздушным поступлением выбросов и их концентрацией на испарительном и биогеохимическом барьерах и подтверждают слабую подвижность катионо генных элементов в щелочной среде серо-бурых пустынных почв. Ме­нее интенсивно в верхних горизонтах почв накапливаются молибден и мышьяк, обладающие сильной подвижностью в щелочной среде.

Воздействие Балхашского медно-молибденового комбината на пустынные ландшафты индицируется прежде всего повышением содержания меди во всех трех формах миграции. Чтобы очертить сферу воздействия, достаточно определить содержание меди в двух верхних горизонтах серо-бурых почв мощностью Ад (0-2), А (2—10) и в верхних горизонта солончаков мощностью до 10-20 см. Для оценки экологической опастности загрязнения почв для растений и животных необходимо изучат: формы миграции тяжелых металлов в различных формах. Выявлены следующие закономерности: в серо-бурых пустынных почвах полуторные окислы составляют от 5 до 30% суммарного вало Вого содержания тяжелых металлов (меди — от 10 до 30%, свинца —до 20%, цинка — от 10 до 20%); на два порядка ниже содержание растворимых форм металлов в почвах; так, водорастворимая медь составляет от 0, 15 до 0, 3% от валового содержания. Отмечается общая тенденция увеличения содержания водорастворимых форм металлов от автономных к подчиненным ландшафтам. С нарастанием засоления - бурых пустынных почв увеличивается содержание подвижных формтяжелых металлов, максимальное количество их наблюдается в серо - бурых солончаковых почвах и солончаках.

В целом для пустынных ландшафтов характерны интенсивная механичекая денудация и золовый перенос микроэлементов, слабая водная миграция и слабое перераспределение в системе автономный подчиненный ландшафты. Тем не менее ландшафты низких террас и и. пониженных равнин в гораздо большей степени подвержены потенциальной опасности загрязнения вследствие доминирования солончаков и солонцов, обладающих большими поверхностями испарительных и биогеохимических барьеров, а также из-за вновь сформированных здесь техногенных барьеров, за счет резкого подкисления среды (изменение pH от 8-9 до 3-4).

Гаким образом, при воздействии производств цветных металлов происходят сильные трансформации ландшафтов во всех природных зонах. Зональная устойчивость ландшафтов к воздействию производств цветных металлов определяется сравнением площадей разно нарушенных территорий при условии одинаковой интенсивности и продолжительности воздействия.

Рассмотренные примеры иллюстрируют зональную устойчивость лан­дшафтов к техногенному воздействию, которую учитывают в числе других факторов при оценке воздействия технологических аналогов на природ­ную среду в различных природных зонах.