Управление отходами калийных горнодобывающих предприятий

Полный текст

Введение

Горнодобывающая деятельность имеет важное экономическое значение, однако она является одной из основных причин загрязнения окружающей среды во всем мире. Целью добычи полезных ископаемых является удовлетворение спроса на минеральное сырье для повышения качества жизни населения. Добываемый материал является сырьем для производства изделий, ценным энергетическим ресурсом и основой для развития многих отраслей промышленности. Продукция горнодобывающей промышленности иногда используется напрямую, но чаще всего подвергается дальнейшей переработке. Принципиальными технологическими операциями на любом горнодобывающем предприятии являются добыча сырья, последующая его переработка, отгрузка продукции и утилизация отходов. Однако горнодобывающая деятельность является мощным фактором преобразования природных комплексов. Эта отрасль связана с рядом экологических проблем, в частности, имеет проблемы с хранением отходов с точки зрения отчуждения земель и рассеивания загрязнителей [1, 2]. Химическое и физическое загрязнение, возникающее в результате горнодобывающей деятельности, является глобальной проблемой, которая имеет отношение к различным аспектам:

• экологическому: загрязнение почв и водных объектов, образование кислых шахтных стоков, фитотоксичность и изменение биоценозов;
• геоморфологическому: изменение ландшафта, геологическая опасность (эрозия, наводнения, оползни, карст, провалы);
• санитарному: риск для здоровья человека, воздействие на население, проживающего в непосредственной близости от горнодобывающих предприятий.

Компонентный состав и количество отходов, образующихся в процессе добычи и переработки полезных ископаемых, становятся важными аспектами в вопросе управления отходами и цикличности производства. Накопление значительного количества отходов приводит к формированию природно-техногенных объектов, которые представляют собой геологические тела техногенного происхождения, состоящие из отработанных «пустых» горных пород, отходов обогащения, зол, шлаков и шламов [3–6].

Обращение с отходами, образующимися на горнодобывающих предприятиях, как правило, вызывает финансовые и экологические трудности. Рудник и обогатительная фабрика проектируются с целью извлечения как можно большего количества товарной продукции, а отходы и общее природопользование рассматривается как следствие применяемых технологических операций [7].

Основное воздействие горнодобывающих предприятий на окружающую среду связано с совокупностью факторов: географическим положением, площадью и категорией земель, отведенных для хранения отходов, объемом выбросов и сбросов на этапе эксплуатации. Кроме того, повреждения хвостохранилищ могут нанести серьезный ущерб окружающей среде [7].

Промышленные отходы образуются в огромных объемах. В зависимости от масштаба и мощности производства, вопрос рационального обращения с ними становится все более актуальным. Тем не менее промышленные отходы различаются по составу, свойствам, типам и характеристикам. В частности, отходы горнодобывающей и обрабатывающей отрасли отнесены к таким типам, как [8]:

• кислоты и щелочи;
• отработанные растворители;
• органические компоненты;
• растворы тяжелых металлов;
• отработанные растворители красок;
• сточные воды, содержащие бензол и другие углеводороды;
• отработанные нефтяные катализаторы;
• отработанные шламы;
• толуол и бензол;
• электронный лом;
• шламы, содержащие отходы цианидов тяжелых металлов;
• металлургические шлаки;
• газообразные и твердые выбросы;
• вскрышные породы/пустая порода;
• хвосты обогащения полезных ископаемых и др.

В настоящее время проведено небольшое количество исследований, посвящённых рациональному использованию промышленных отходов [9].

В связи с ужесточением экологических норм во всем мире важно найти рациональное решение по управлению промышленными отходами. В зависимости от отрасли специализации, методы управления отходами необходимо рассматривать индивидуально, но существуют наиболее стандартные варианты утилизации хвостов и пустой породы. Наиболее распространенными являются следующие:

• сброс шламов в пруды-отстойники;
• засыпка шламов или пустой породы в подземное хранилище или карьеры;
• складирование сухих шламов или пустой породы в отвалы на поверхности;
• использование шламов или пустой породы в качестве вторичного продукта;
• сброс шламов в водные объекты (в моря, озера, реки).

Выбор метода утилизации шламов и/или пустой породы зависит в основном от трех факторов: стоимости, экологических характеристик территории и возможных рисков. Необходимо также учитывать возможности и проблемы повторного использования отходов в рамках промышленной экологии и экономики замкнутого цикла для решения связанных с этим социальных и экологических проблем.

Разработка месторождений калийных солей выполняет одну из главных целей устойчивого разви- тия – борьбы с голодом, поскольку 90 % добываемого калия направлено на получение калийных удобрений. Несмотря на важную роль калийных удобрений в отрасли сельского хозяйства, разработка месторождений калия имеет ряд экологических последствий, одним из которых является образование и складирование на поверхности нескольких миллионов тонн твёрдых и жидких отходов с высоким содержанием хлорида натрия, сульфатов, калия и кальция [6].

В научной литературе существует множество результатов частных исследований по управлению отходами на калийных предприятиях, но несмотря на глубокую изученность возможных способов утилизации и обезвреживания, до сих пор редкостью является достаточно полный и актуальный литературный обзор в области управления отходами на калийных месторождениях. Целью данного исследования является обобщение и анализ географии распространения калийных горнодобывающих предприятий, воздействия этих предприятий на окружающую среду и методов управления отходами калийных производств. Для подготовки обзорной статьи были изучены результаты более 100 опубликованных работ на подобную тематику.

Калийная промышленность

Добыча калийных солей (извлечение сильвинита и карналлита) в основном (90 % добываемого калия) направлена на получение удобрений и особенно важна для отрасли сельского хозяйства [10]. Калий является основным компонентом большинства удобрений и содержит смесь фосфатов, азота и калия. Согласно данным геологической службы США, запасы калийных руд оцениваются в более чем 11 млрд т [11], что сможет обеспечить общество калийными удобрениями еще на несколько десятков лет. В настоящий момент лидерами по добыче калийной руды являются Канада, Россия и Беларусь, на них приходится более 80 % мировых запасов калия (табл. 1).

Геологоразведочные работы по поиску калийных солей продолжаются и по сей день в нескольких странах. Наиболее активно разведочные работы ведутся в Канаде с целью удержания лидерских позиций, в Бразилии, поскольку она входит в тройку крупнейших мировых импортёров калийных удобрений, а также в Аргентине, Перу, Эритрее, Эфиопии, Конго, Великобритании, Китае, Таиланде и Узбекистане [10]. В том числе ведутся работы по разработке и дальнейшему освоению месторождений калийных солей в России [6]. Ведущими регионами-потребителями калийных удобрений являются страны Северной и Южной Америки, а также страны Юго-Восточной Азии [11].

 

Таблица 1. Добыча калийных солей в мире с 2018 по 2021 гг., по данным [8]

Table 1. Potash production worldwide from 2018 to 2021, according to [8]

Страна Country	2018	2019	2020	2021
	млн т/million tonnes
Канада/Canada	13,80	12,30	13,8	14,0
Россия/Russia	7,17	7,34	8,11	9,0
Беларусь/Belarus	7,20	7,35	7,40	8,0
Китай/China	5,0	5,0	6,0	6,0
Германия/Germany	3,20	3,0	2,20	2,30
Израиль/Israel	2,20	2,04	2,28	2,30
Иордания/Jordan	1,48	1,52	1,59	1,60
Чили/Chile	1,20	0,84	0,90	0,90
Испания/Spain	0,70	0,50	0,42	0,40
США/USA	0,52	0,51	0,46	0,48
Другие страны/Other countries	0,35	0,31	0,36	0,37
Лаос/Laos	0,20	0,40	0,27	0,30
Бразилия/Brazil	0,20	0,25	0,25	0,21
Общемировой объем Global volume	43,30	41,30	44,0	46,0

^*Примечание: жирным выделены мировые лидеры по добыче калийных солей.

^* Note: world leaders in potash mining are highlighted in bold.

 

Прогнозируется, что мировые годовые мощности по производству калийных удобрений увеличатся почти до 69 млн т к 2025 г. Большая часть прироста будет обеспечена за счет открытия новых рудников на уже освоенных месторождениях, а также в перспективных районах и за счет наращивания мощностей существующих предприятий в Канаде, России и Беларуси [11].

В мировой практике добыча калийных солей осуществляется преимущественно подземным шахтным способом (Канада, Россия, Беларусь). Всего 6 % месторождений разрабатываются методом подземного выщелачивания (штат Юта, США) [12], где горно-механические и температурные условия не позволяют вести шахтную разработку, и 26 % месторождений добывают калийные соли из природных рассолов (Китай, Израиль, Иордания, Чили) [13].

Отходы калийной промышленности

В процессе шахтной добычи и при обогащении добытой породы в районе деятельности калийных предприятий образуется большое количество отходов (примерно 70 % от добываемой руды), которые могут вызывать негативные последствия для окружающей среды в случае отсутствия их безопасной обработки и утилизации отходов [6].

Одной из основных проблем, возникающих при добыче и переработке калийной руды, является образование миллионов тонн жидких и твердых отходов с высоким содержанием хлорида натрия. В зависимости от минералогического состава добываемой руды и с учётом используемой технологии обогащения, на тонну конечного продукта может образовываться от 0,99 до 4,97 т твердых отходов и от 0,3 до 1,1 т жидких отходов [7, 13].

Отходы калийной промышленности представлены галитовыми отходами, которые складируют в солеотвалы (рис. 1, а), и глинисто-солевым шламом (смесь растворимых и нерастворимых компонентов), который хранится в шламохранилищах на земной поверхности (рис. 1, б).

 

Рис. 1. Отходы калийного производства на Верхнекамском месторождении калийных солей: (а) солеотвал (б) шламохранилище

Fig. 1. Potash mining waste at the Verkhnekamskoe Potash Deposit: (a) salt dump (b) sludge storage

 

Солеотвалы и шламохранилища считаются основными источниками загрязнения поверхностных вод на Верхнекамском калийном месторождении (Россия) [14–16], Старобинском месторождении (Беларусь) [17], Эльзасском месторождении (Франция), старейшем калийном месторождении в Штрасфурте (Германия) [18, 19] и Саскачеванском соленосном бассейне (Канада) [20]. Огромное количество отходов хранится в хвостохранилищах на поверхности (табл. 2).

 

Таблица 2. Отходы, хранящиеся в солеотвалах и шламохранилищах

Table 2. Waste stored in salt dumps and slurry storages

Тип отхода Waste type	Верхнекамское месторождение солей (Россия) Verkhnekamskoe Potash Deposit (Russia) [14]	Старобинское месторождение (Республика Беларусь) Starobinskoe Deposit (Belarus) [21]	Саскачеванский соленосный бассейн (Канада) Saskatchewan salt basin (Canada) [22]	Эльзасское месторождение (Франция) Alsace deposit (France) [23]
Твердые галитовые отходы Solid halite waste	>270 млн т/million tonnes	>950 млн т/million tonnes	>250 млн т/million tonnes	7 млн т/million tonnes
Жидкие глинисто-солевые шламы Clay-salt slurry	>30 млн м3/million m3	110 млн т/million tonnes	Нет данных No data available	Нет данных No data available

 

В среднем отводимые площади под солеотвал с рассолосборником составляют 300–350 га, из которых порядка 150 га занимает сам рассолосборник. В верхней части площади намываются солеотходы, в нижней скапливаются тонкие частицы и рассол. Угол откоса намываемого массива до 4°. Высота солеотвалов в большинстве случаев составляет 35–45 м относительно земной поверхности рядом с солеотвалом [24].

В состав сооружения шламохранилищ входят: дамба, насосная станция перекачки сточных вод, насосная станция перекачки осветленных сточных вод (рассолов), шламопровод и рассолопровод.

Количество образующихся отходов на примере Верхнекамского месторождения солей (Пермский край, Россия)

На территории Верхнекамского месторождения солей (ВКМС) в настоящий момент функционируют три крупные калийные компании: ПАО «Уралкалий», ООО «ЕвроХим-УКК» и АО «ВКК». На 2022 г. объём образования галитовых отходов и глинисто-солевых шламов составляет 27356,2 тыс. т [25].

Согласно статистической отчетности Министерства природных ресурсов, лесного хозяйства и экологии Пермского края [25, 26], наибольший вклад в образование отходов по предприятиям в Пермском крае вносят предприятия калийной отрасли. На рис. 2 представлено процентное соотношение образования отходов в Пермском крае с 2017 по 2022 гг. по основным предприятиям.

Согласно открытым данным экологической статистической отчетности ПАО «Уралкалий» [27], прослеживается тенденция увеличения объёма как образования, так и утилизации отходов (табл. 3). Утилизация образующихся отходов увеличилась с 77 до 98 % с 2018 по 2022 гг. соответственно.

 

Рис. 2. Вклад в общее образование отходов в Пермском крае по основным предприятиям

Fig. 2. Contribution to total waste generation in Perm Krai by major companies

 

По данным дистанционного зондирования Земли, общая площадь земель, отведённых под солеотвалы, составляет 8,69 км²; шламохранилища – 7,12 км².

Экологические проблемы разработки калийных месторождений

Важно отметить, что крупнейшие месторождения калийных солей расположены на территориях с континентальным и умеренно-континентальным климатом, где годовое количество осадков превышает возможное испарение, что предполагает избыточное увлажнение территорий.

 

Таблица 3. Сведения об образовании и утилизации промышленных отходов ПАО «Уралкалий» [27]

Table 3. Data on generation and disposal of industrial waste at Uralkali

Тип отхода Waste type	2018		2019		2020		2021		2022
	Образовано Generated	Утилизировано Disposed	Образовано Generated	Утилизировано Disposed	Образовано Generated	Утилизировано Disposed	Образовано Generated	Утилизировано Disposed	Образовано Generated	Утилизировано Disposed
	млн т/million tonnes
Твердые галитовые отходы Solid halite waste	28,91	20,19	29,39	22,14	31,68	25,51	31,68	25,50	18,60	18,40
Глинисто-солевые шламы Clay-salt slurry	1,17	3,04	1,03	0,31	1,12	0,36	1,11	0,36	0,64	0,35
Всего/Total	30,08	23,23	30,42	22,45	32,80	25,87	32,79	25,86	19,24	18,75

 

Избыточное увлажнение является фактором, создающим комплекс экологических проблем при поверхностном складировании водорастворимых отходов соледобывающей промышленности. Твёрдые галитовые отходы, хранящиеся в солеотвалах, содержат хлориды, сульфаты, калий, натрий и кальций, которые выпадают в виде осадков на протяжении десятилетий [28]. Дождевая и талая воды, растворяя вещество отвала, содержат высокие концентрации ионов солей и переносят их в грунтовые и поверхностные воды, а нерастворимая часть отходов остаётся в виде пористой поверхности, однако 75–94 % осадков просачивается через отвалы [29] и попадает в окружающую среду.

Фильтрационные воды в совокупности с природными условиями способны изменять химический состав водных объектов [6, 13, 30, 31] и почв [6, 32, 33], приводить к оседанию земной поверхности, формированию галофитной растительности [6, 33, 34], угнетению растительного покрова и возникновению опасных геологических процессов (обрушение породы, внутрисолевой карст) в пределах зоны их влияния [35]. К другим воздействиям также можно отнести ветровую пыль от отвалов и визуальное нарушение ландшафта.

Возникающие экологические последствия способствуют нарушению естественных процессов в почвенном и растительном покрове (рис. 3), в том числе могут привести к ухудшению санитарно-эпидемиологической обстановки в ближайших населённых пунктах.

 

Рис. 3. Заболачивание техногенно трансформированной долины малой реки в зоне воздействия калийного предприятия на территории Пермского края

Fig. 3. Waterlogging of technogenically transformed valley of a small river in the area affected by potash enterprise on the territory of Perm Krai

 

Например, добыча калия в регионе Багес (Испания) является причиной прогрессирующего засоления рек Карденер и Льобрегат [36]. В Германии стоки, поступающие с калийных рудников, приводили к экстремальным концентрациям соли (72 г/л) в окружающих реках и ручьях, вызывая массовое цветение водорослей и гибель рыб [37]. В результате прямого сброса рассолов в р. Верра отмечено изменение видового состава беспозвоночных, который является одним из важнейших параметров контроля толерантности речной экосистемы [37].

На территории ВКМС многолетняя эксплуатация шламохранилища привела к формированию фильтрационных вод Cl–Na состава, что поспособствовало процессам засоления вод р. Ленвы и почв долинных ландшафтов [6].

Воды родников, которые находятся в непосредственной близости от действующих калийных предприятий и объектов размещения отходов ВКМС, также показали значительную трансформацию химического состава. Состав подземных вод характеризуется хлоридным кальциево-натриевым составом [13]. Сходные результаты были выявлены в исследованиях состава подземных вод и в районах размещения отходов калийных предприятий в Германии и Франции [38, 39].

Вследствие долговременного влияния высокоминерализованных стоков на территории ВКМС (в зоне воздействия шламохранилища) произошла трансформация почвенного покрова в долинах малых рек. Типичные аллювиальные гумусовые глеевые глинистые почвы преобразовались в солончаковые типы почв, которые не характерны для таёжной зоны [6]. В свою очередь, в районах формирования очагов почвенного засоления на ВКМС отмечены луговые ассоциации растений с небольшой долей солелюбивых трав и галофитов [6].

В зоне воздействия Солигорского калийного комбината (Беларусь) при почвенном обследовании выявлено превышение в 7–10 раз суммы калия, натрия и хлора в почвенных образцах у границы предприятия в сравнении с фоном [21]. Хлоридно-натриевое загрязнение плодородного слоя почв сельскохозяйственных земель в Солигорском районе приводит к резкому снижению продуктивности почв, которое влияет на урожайность зерновых культур [40, 41].

Особое внимание нужно уделить тому, что калийные шахты подвержены риску катастрофического затопления или обрушения, которое может привести к необратимым потерям на рудниках [42]. За последние 50 лет калийная отрасль пережила семь катастроф на калийных месторождениях в России, Канаде и Конго, которые привели к потерям минерально-сырьевой базы [43].

Таким образом, интенсификация калийного производства входит в противоречие с сохранением природной среды. Складируемые на поверхности отходы калийных предприятий являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды, в частности водных объектов и почв на территории многих стран.

Анализ существующих методов и технологий по управлению отходами

Функционально-технические решения по утилизации и обезвреживанию отходов калийной промышленности имеют приоритетное значение при проектировании объектов калийного производства. Безвредное хранение и возможность утилизации или обезвреживания отходов калийного производства являются сложной экологической, технологической и экономической задачей.

Исследования по управлению отходами проводились с целью характеристики технического уровня и тенденций развития калийной отрасли в направлении экологически безопасного освоения месторождений солей, повышения эффективности и безопасности ведения горных работ.

В связи с тем, что при обогащении калийной руды образуются жидкие и твердые отходы, рационально рассматривать способы обращения с отходами в контексте управления разными фазами отходов.

Методы обращения с глинисто-солевым шламом. Проведенный анализ информации [44] о способах размещения и утилизации рассолов калийных предприятий показал, что в мировой практике используются основные стандартные методы обращения с отходами (рис. 4).

В частности, канадская фирма «Denison Potacan Potash Со» перекачивает избыточный рассол вместе с водой из шахтного ствола по трубопроводу на расстояние около 34 км и сбрасывает в залив Фанди. В Англии фирма «Cleveland Potash LTD» сбрасывает 300 т NaCl и 500 т глинистых шламов в сутки в Северное море. Отходы и шламы перекачиваются по трубопроводу длиной около 1,8 км в туннель по дну моря, откуда они под действием приливов и отливов диспергируются в морской воде [45, 46].

В Бразилии фирма «Petromisa» проложила от предприятия к морскому побережью трубопровод протяженностью 35 км для сброса отходов в Атлантический океан. В Израиле рассол, состоящий из концентрированных растворов хлорида магния и калия, сбрасывается в Мертвое море [46].

Французская фирма «Min de Potass d'Alzas» (MDPA), получая из руды КСl, использует остающийся в результате флотации NaCl, а глинистые шламы сбрасывает в р. Рейн [46]. Фирма PCA в провинции Саскачеван (Канада) сбрасывает часть отходов в южную часть оз. Пейшнс, воды которого по природе щелочные.

 

Рис. 4. Управление глинисто-солевым шламом

Fig. 4. Management of clay-salt slurry

 

Жидкие отходы калийной промышленности в Германии, сосредоточенные по р. Верра (земли Тюрингии и Гессена), начиная с 1925 г. закачиваются в поглощающие пласты. Они представляют собой концентрированные растворы (с минерализацией 300–400 г/л) NaCI, MgCl₂, MgSО₄. Растворы по скважинам закачиваются в трещиноватые известняки и плитчатые доломиты верхнего и среднего шехштейна, залегающие на глубине от 50 до 500 м.

Известны и другие способы управления глинисто-солевым шламом:

• использование в производстве смешанной калийной соли: вместо сырой необогащенной калийсодержащей руды к товарному хлористому калию предлагают добавлять шламовые отходы;
• использование в качестве удобряющей и структурообразующей добавки к торфяной и песчаной почвам;
• применение в промышленности строительных материалов;
• применение для приготовления буровых растворов.

Управление глинисто-солевым шламом зависит от природных гидрологических и гидрогеологических условий, поэтому для каждого рудника метод и/или совокупность методов будет индивидуальным с учетом природных условий, капитальных и эксплуатационных затрат. Наиболее целесообразно использовать комплексный подход к проблеме утилизации глинисто-солевых шламов при одновременном применении нескольких вариантов или их комбинации, а долю каждого из них определить исходя из природных условий.

Закачка глинисто-солевых шламов и рассолов в подземные горизонты как с целью утилизации жидких отходов, так и для укрепления пластов является одним из перспективных направлений обращения с отходами и требует дополнительных исследований, опытно-промышленных испытаний, а также разработки необходимой нормативно-правовой документации.

Анализ отечественного и зарубежного опыта утилизации глинисто-солевых шламов показал, что несмотря на то, что существуют способы повторного использования их в качестве вторичных продуктов, основным способом их утилизации остается складирование в шламохранилищах и закачка в подземные поглощающие горизонты.

Методы обращения с твердыми галитовыми отходами. В настоящий момент развиты и применяются несколько основных направлений по снижению объёмов образующихся и уже накопленных галитовых отходов, которые заключаются в совершенствовании технологии горных работ, реализации способов селективной добычи, а также мероприятий по возвращению отходов в выработанные пространства рудников и рекультивации отвалов уже закрытых рудников (рис. 5).

Кроме того, рассматриваются способы и методы предотвращения засоления подземных вод и почв при формировании солеотвалов [14, 48]. Ряд работ направлен на повышение эффективности гидроизоляции солеотвала [49], на совершенствование методов подземного складирования отходов [50, 51], в том числе на улучшение способов отвалообразования отходов для сокращения площадей, отведённых для хранения отходов [47, 52–54].

 

Рис. 5. Управление галитовыми отходами

Fig. 5. Management of halite waste

 

Основным и наиболее распространённым, но и самым затратным способом снижения объёмов отходов на поверхности являются закладочные работы в отработанное шахтное пространство (подземное хранилище) [26]. Согласно проведенным исследованиям [55], закачка отходов в поглощающие пласты на территории ВКМС экологически эффективна, поскольку размещение отходов в отработанном шахтном пространстве не приведет к изменению гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод и значительно снизит нагрузку на окружающую среду. Такой способ обезвреживания отходов частично применяется на рудоуправлениях ВКМС предприятием ПАО «Уралкалий» [26]. Выбранный способ обусловлен эффективностью обеспечения экологической безопасности. Однако при применении данного метода имеется ряд недостатков, связанных с капитальными и эксплуатационными затратами на реализацию и дальнейшую эксплуатацию [56].

В совокупности с закладочными работами за рубежом применяется метод рекультивации солеотвалов на закрытых рудниках. Опыт рекультивации свидетельствует о сложности и многоступенчатости природозащитных мероприятий, включающих комплекс технических, технологических и биологических решений. В Германии и Франции внедрены два метода рекультивации солеотвалов в соответствии с принятым экологическим законодательством: 1) изменение формы солеотвала (срез части) и покрытие его поверхности слоем из глины и битума, который защищает отходы от воздействия атмосферных осадков [24], с формированием почвенно-растительного покрова; 2) растворение химическими соединениями естественным или стимулированным способом со сбором дренажных стоков в очистные скважины с дальнейшим сбросом их в притоки р. Рейн [57].

В Германии уже отработан один из способов рекультивации. Один из отвалов высотой до 100 м, длиной 1200 м и шириной 550 м имеет типичную трапециевидную форму и в настоящее время частично засыпан и засажен растениями. Юго-западная часть склона отвала используется как солнечная электростанция. Южная часть склона отвала в основном засажена, а в северной части до сих пор виден оригинальный материал отвала, что связано с очень крутыми склонами [58]. Необходимость рекультивации обусловлена близостью солеотвала к сельскохозяйственным землям, что в дальнейшем может порождать процессы сильного засоления в почвенном слое и ухудшать урожайность и качество сельскохозяйственной продукции.

В исследовании [59] рассмотрен эксперимент по эффективности использования покровного субстрата, состоящего из осадков городских сточных вод и песчаной почвы. Такой субстрат позволил уменьшить содержание нитратов и нитритов в фильтрационных водах и обеспечить приемлемый рост растений.

Изучен опыт по естественному восстановлению растительности на отвалах калийных рудников. в естественной сукцессии на отвалах появляются виды, которые являются наиболее устойчивыми к условиям среды (кустарники и травостой) [60].

Кроме этого, на территории Германии проведены исследования по оценке водного баланса и транспирации на отвалах калийных рудников с целью снижения поступления большого объема фильтрационных вод в окружающую среду. Исследование показывает, что транспирация может уменьшить сток высокоминерализованных вод с отвалов и снизить загрязнение вод и почв [28].

В работе [61] в целях улучшения экологического состояния территорий возле калийных отвалов были проведены экспериментальные исследования по выщелачиванию солей с отвалов и посадке кустарников и деревьев. При посадке были использованы высушенный осадок сточных вод, гидрогель и другие примеси. Через пять лет были начаты исследования растений и почвы. Результаты показали, что высаженные кустарники и деревья способны расти в неблагоприятных условиях.

Российскими учёными [62] разработаны способы рекультивации откосов солеотвалов путем создания на их поверхности замкнутых микробассейнов выщелачивания или путем установки на откосах контрбарьеров, а также предложены меры по защите окружающей среды для восстановления защитной функции пород в ложе солеотвала и предохранения солевой толщи от атмосферных осадков [63].

В процессе рекультивации и восстановления ландшафтов происходит улучшение качества окружающей среды. Рекультивационные мероприятия направлены как на устранение источника загрязнения (отвалы), так и на снижение уровня солевого загрязнения.

Физико-химические и химико-технологические методы утилизации и обезвреживания глинисто-солевых шламов и галитовых отходов. Большой интерес вызывает возможность комплексной утилизации отходов калийного производства с использованием физико-химических и химико-технологических методов: извлечение драгоценных металлов из отходов, производство удобрений, производство технической соли, создание производства кальцинированной соды с замкнутой системой, производство каустической соды для создания биодизельного топлива и др.

В работе [54] было выделено три направления промышленного использования продуктов электролиза водного раствора галитовых отходов: в качестве компонентов для производства тротуарной плитки, в качестве сырья для получения мыла, возможно извлечение газов водорода и хлора с последующим промышленным использованием. Согласно исследованиям [64, 65], раскрывается стратегия управления сточными водами, которая исключает жидкие отходы любого состава. В ряде работ [66–70] рассматриваются способы извлечения ценных материалов, такие как соли, драгоценные металлы (платина, палладий, золото, серебро и др.) и химикаты, содержащие хлориды щелочных и щелочноземельных металлов, которые делают процесс экономичнее за счёт использования хлорирующего агента и сокращения количества операций.

Зарегистрированы изобретения, где конечным продуктом переработки будет зола, которую можно использовать в качестве долговременного удобрения [66]. Одним из способов обезвреживания отходов является получение коллективного концентрата, содержащего природную и техногенную органику, в которой сконцентрирована значительная доля благородных металлов [71–73].

Запатентован способ по дополнительному извлечению калия из отходов калийного производства, что сможет повысить объёмы калия, переводимого в минеральные удобрения из руд калийного месторождения [74]. Также были разработаны методы извлечения золота из рассолов калийного производства [75, 76]. Посредством химических методов переработки отходов применим способ утилизации рассолов калийного производства при использовании распылительного испарения и аэрозольного барьера [77].

Рассмотренные методы были изучены в рамках лабораторных испытаний, но в промышленном масштабе не нашли свое применение в связи с высоким капиталовложением и получением небольшого объема полезного продукта.

Замкнутый цикл. Учеными из Беларуси рассмотрена концепция управления отходами, заключающаяся в формировании замкнутой системы по производству кальцинированной соды, позволяющей перерабатывать высокоминерализованные стоки (для получения товарного продукта хлорида кальция), а стоки с низкой минерализацией возвращать в технологический процесс [78]. Также на одном из рудоуправлений ОАО «Беларуськалий» [54] освоен выпуск нового глинистого минерализованного продукта. Компоненты этого продукта используются для получения удобрений, которые способны ускорять выращивание древесины в лесах плантационного типа и восстанавливать почвы, которые загрязнены радионуклидами. Глинистый минерализованный продукт также применяется как изоляционный слой, противопожарный барьер и др.

Наиболее перспективным и востребованным вариантом использования отходов в качестве источника полезного продукта (КСl) и микроэлементов является производство новых удобрений и мелиорантов [79]. Кроме того, по опыту других государств и с учётом проводимых в Беларуси исследований, продукт можно использовать в производстве строительных материалов и при приготовлении промывочных (буровых) растворов в качестве минерализатора.

В Беларуси на базе ОАО «Беларуськалий» рассматривается вопрос о строительстве комбината по переработке отвалов калийных производств, в котором будут развиты такие отрасли производства, как выпуск каустической соды для биодизельного топлива или бумаги и картона, производство промышленного хлора как компонента при изготовлении обуви, одежды, игрушек и стройматериалов, изготовление поливинилхлорида как составляющей части стеклопакетов и линолеума [79].

Научные сотрудники Витебской государственной академии ветеринарной медицины [80] посредством экспериментальных исследования определили возможность использования отходов калийной промышленности в сельском хозяйстве. Из-за того, что в большинстве кормов содержится мало натрия, его недостаток в рационах компенсируют за счёт ввода поваренной соли. Галитовые отходы как побочный продукт можно использовать в кормлении крупного рогатого скота, что поспособствует повышению рентабельности предприятий, при этом общий уровень состояния здоровья крупного рогатого скота не снизится.

Предприятием ПАО «Уралкалий» внедрена практика передачи части отходов добычи и обогащения калийных солей Березниковскому содовому заводу для дальнейшей утилизации. Использование системы замкнутого цикла или вторичного использования отходов в области калийной промышленности является актуальным с точки зрения рационального недро- и природопользования.

Заключение

Во многих странах мира добыча калийной руды является основой экономики и источником национального богатства (Канада, Беларусь, Россия). Геологоразведочные работы по поиску калийных солей продолжаются и по сей день в нескольких странах. Активная добыча калийной руды обусловлена высоким спросом на калийные удобрения. Использование этих удобрений способствует повышению объёма и качества сельскохозяйственной продукции. Предприятия, которые производят калийные удобрения, выполняют одну из глобальных целей устойчивого развития – борьбы с голодом, тем самым обеспечивая продовольственную безопасность, улучшая продукты питания и способствуя развитию сельского хозяйства. Одновременно с этим беспрерывное и многотоннажное производство удобрений предполагает увеличение объёмов добычи и переработки калийных руд, что влечёт за собой увеличение объёма жидких и твёрдых отходов. Именно отходы калийной промышленности, которые складируют на поверхности, вызывают ряд экологических проблем ввиду водорастворимости породы. Экологические последствия, возникающие при хранении отходов на поверхности, выражаются в процессах засоления водных объектов и почв, в формировании галофитной растительности и галотолерантных видов бактерий. В результате накопленного экологического вреда формируется неблагоприятная экологическая обстановка в районах разработки калийных месторождений, что заставляет искать пути решения в области управления отходами. Безопасное хранение и возможность утилизации или обезвреживания отходов калийного производства является сложной экологической, технологической и экономической задачей.

Были рассмотрены следующие варианты: для глинисто-солевых шламов – сброс в водные объекты, закачка в подземные горизонты и хранение на поверхности, использование в производстве, строительстве и др.; твердые галитовые отходы – закладка в выработанное пространство, вторичное использование, рекультивация отвалов пустых пород, совершенствование технологии ведения горных работ, производство строительных материалов, извлечение ценных компонентов, передача части отходов другим предприятиям для утилизации.

При управлении глинисто-солевыми шламами наиболее эффективна закачка в подземные горизонты, в том числе использование насыщенных растворов в качестве удобряющего компонента, составляющей части продукта в строительном направлении и применение в нефтедобывающей отрасли. Данные направления использования глинисто-солевых шламов являются привлекательными и способствуют снижению техногенной нагрузки на водные объекты.

При управлении галитовыми отходами нужен более комплексный подход, который может содержать несколько вариантов утилизации в связи с многотоннажностью. Закладка в отработанное пространство является актуальным подходом в связи с тем, что на территории долго действующих предприятий имеются уже отработанные целики. Такой способ утилизации позволит устранить загрязнение водных объектов, почв и улучшить экологическую обстановку территории.

Рекультивация отвала позволит изолировать тело отвала от поступления атмосферных осадков, что приведет к сокращению объёмов фильтрационных вод.

Использование отходов для производства стройматериалов является наиболее предпочтительным как с экономической, так и экологической позиции. Для реализации этого варианта необходима организация государственно-частного партнерства и формирование нормативно-правовых требований. Извлечение ценных компонентов, производство удобрений, концентрата и др. из отходов является наименее актуальным направлением, это связано как с эколого-экономическими затратами на приобретение оборудования, так и с повторным образованием отхода.

Наиболее сложным направлением для снижения образования отходов в технологическом аспекте является совершенствование ведения горных работ и селективной добычи.

Об авторах

Анна Александровна Перевощикова

Пермский государственный национальный исследовательский университет; Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: aaperevoshchikova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1769-7740

младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории биогеохимии техногенных ландшафтов Естественнонаучного института, аспирант

Россия, г. Пермь; г. Пермь

Роман Дмитриевич Перевощиков

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: rperevoshhikov@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-6451-8202

ведущий инженер научно-исследовательской лаборатории экологической геологии Естественнонаучного института

Россия, г. Пермь

Елизавета Евгеньевна Малышкина

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: thelionofcintra@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7251-7637

инженер-исследователь научно-исследовательской лаборатории биогеохимии техногенных ландшафтов Естественнонаучного института

Россия, г. Пермь

Наталья Васильевна Митракова

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: mitrakovanatalya@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5571-7725

старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории биогеохимии техногенных ландшафтов Естественнонаучного института

Россия, г. Пермь

Список литературы

Дополнительные файлы