Способ оценки трансформации окружающей среды при техногенном воздействии

Изобретение относится к области экологической безопасности окружающей среды в зоне техногенного воздействия, в частности, к загрязнениям поверхностных и подземных вод поступающим большим количеством загрязняющих компонентов от горно-металлургических (ГМК) и горно-обогатительных комплексов, от деятельности которых происходит интенсивная техногенная трансформация окружающей среды, что особенно характерно для Среднего Урала - старейшей, трехсотлетней горнодобывающей и перерабатывающей минеральное сырье местности.

Техногенная трансформация связана, с одной стороны, с несовершенством технологического цикла, а с другой - с многокомпонентностью перерабатываемого сырья. В результате в окружающую среду идет активное поступление загрязняющих окружающую среду веществ: и с пылевыми выбросами предприятий, и со сбросами сточных вод и отходами производства, превалирующее значение из которых имеют металлы.

Известен способ оценки загрязнения сточными водами с превышением концентрации загрязняющих веществ в соответствии с договором от 20.12.2011, №220/п АО «Уралтрансмаш» за период с 01.01.2015 г. по 14.01.2015 г., представленный в Екатеринбургское муниципальное унитарное предприятие водопроводно-канализационного хозяйства.

Акт отбора проб от 14.07.14, проба №912.

Протокол исследования от 28.07.2014, №1513.

По СанПиНу 2.1.4.559-96, норматив концентрации цинка - С_Д 0,036 мг/л, фактическая концентрация равна 0,850 мг/л, фактическая концентрация с учетом фона С_р - 0,847 мг/л, коэффициент превышения нормативов:

Фактический объем сточных вод Q=2090,606 м³

Плата за услуги по приему сточных вод с учетом других загрязняющих веществ составила 121882,33 руб.

Этот способ устанавливает только фактическую концентрацию загрязняющего вещества (цинка) и при сравнении с нормативом по этому веществу определяет плату за нарушение норматива. Норматив базируется на санитарно-гигиенических и рыбохозяйственных нормативах содержания компонентов в окружающей среде, разработанных с учетом метеорологических, гидрологических, ландшафтных, технических и других факторов.

Однако не учитывается ряд аспектов, что нередко приводит к формализации этих процессов с последующими негативными экологическими последствиями, особенно на Среднем Урале с его длительной историей отработки рудных месторождений и переработки сырья, сформировавших мощное техногенное загрязнение.

К таким аспектам относится гидрогенное воздействие от поступления в подземные воды загрязняющих веществ с инфильтрационными сточными водами от техногенно-минеральных образований (ТМО), например от горно-металлургических комплексов, или почвенных геохимических аномалий (ПГА). Кроме того, необходимо учитывать содержание уже накопленных загрязняющих веществ в подземных водах в естественных условиях от интенсивной техногенной нагрузки на окружающую среду Среднего Урала.

Многолетнее использование минеральных ресурсов привело к накоплению нескольких миллиардов тонн отходов, формирующих ТМО - хвостохранилища отходов производства (Лещиков В.И., Мормиль С.И. и др. Техногенно-минеральные объекты Свердловской области / Известия ВУЗов. - Горный журнал. - 1997. - №11-12. - С. 40-54), из которых поступают гидрогенные потоки загрязняющих веществ в окружающую среду в виде инфильтрационных вод.

Известен способ оценки техногенной трансформации окружающей среды при техногенном воздействии поверхностных и подземных вод на территории Красноуральского промузла с Сорьинским шламохранилищем.

Предприятие осуществляет сброс сточных вод в поверхностные водоемы. Были отобраны пробы из водотоков и водоемов района. Сравнительная оценка показателей качества поверхностных вод свидетельствует о том, что все они в разной степени испытывают на себе техногенное влияние. Наиболее благополучная ситуация там, где качество воды контролируется процессом разбавления, то есть зависит от водности приемника стоков.

Но в данном случае, река-приемник Айва маловодна и не играет определяющей роли.

Поэтому качество поверхностных вод низкое с устойчиво высокой концентрацией ионов меди, цинка.

Круглогодичный организованный сброс сточных вод в водотоки приводит к образованию вторичных очагов загрязнения поверхностных вод в виде донных отложений, влияющих на подземные воды, обусловливая гидродинамическую обстановку территории промузла.

Но основным источником питания подземных вод на данной территории являются атмосферные осадки и сточные воды, инфильтрующиеся от Сорьинского шламохранилища.

Сточные воды, подаваемые в шламохранилище от цехов производств, различны по составу и объему (см. таблицу 1).

Результаты многолетних режимных наблюдений свидетельствуют о том, что в зоне шламохранилища постоянно действует тенденция к накоплению в подземных водах металлов, поэтому требуется разработка и принятие действенных мер по регламентации нагрузки на подземные воды (Семячков А.И., Парфенова Л.П., Почечун В.А., Копенкина О.А. Теория и практика ведения локального экологического мониторинга окружающей среды меднорудных горно-металлургических комплексов. - Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2008. - С. 73-75).

Известен способ оценки техногенной трансформации окружающей среды, использованный в Первоуральско-Ревдинском промузле, заключающийся в системе мониторинга подземных вод промышленных объектов ОАО «СУМЗ». Сток с территории промплощадки, где расположены основные объекты воздействия на подземную гидросферу - отстойник пиритных хвостов, отвал фосфогипса и хвостохранилище хвостов производства - направлен непосредственно к долине реки Чусовой. Питание подземных вод в основном инфильтрационное. Разгрузка их осуществляется в местную гидросеть.

Система наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в подземных водах включает в себя 17 наблюдательных скважин, одна из которых (№1) - фоновая.

Критерием оценки степени воздействия техногенных объектов ОАО «СУМЗ» на подземные воды принимают их качественный состав. Для этого один раз в год берут пробы подземных вод из наблюдательных скважин (см. таблицу 2).

Химический состав подземных вод показывает, что содержание основных загрязнителей - железа, цинка, меди - меняется мало и превышения относительно ПДК устойчиво неизменны - Прототип (Семячков А.И., Парфенова Л.П., Почечун В.А., Копенкина О.А. Теория и практика ведения локального экологического мониторинга окружающей среды меднорудных горно-металлургических комплексов. - Екатеринбург: Институт экономики УрО РАН, 2008. С. 141-151).

Отсутствие прогнозирования и нормирования воздействия загрязняющих веществ наносит большой урон экологии и заражает окружающую среду.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в оценке техногенной трансформации от гидрогенного воздействия ГМК или горно-обогатительных комбинатов на окружающую среду и экологической безопасности территории для конкретных проблем управления природопользованием и, в первую очередь, в районах со сформировавшимся мощным техногенным загрязнением.

Технический результат заключается в нормировании воздействия нагрузок на окружающую среду с тем, чтобы рассчитанные нормативы способствовали изменению технологий для уменьшения загрязнений подземных вод и окружающей среды на прогнозируемый срок действия комплекса.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем замеры концентраций загрязняющих веществ в подземных водах от гидрогенного воздействия источника загрязнения в естественных условиях, базирующихся на нормативах ПДК одной из категорий водопользования, например, санитарно-гигиенических или рыбохозяйственных, или фоновом показателе, согласно изобретению, в условиях с отягченной техногенной трансформацией окружающей среды, предварительно до проведения оценки задают базирующуюся на нормативах ПДК одной из категорий водопользования или фоновом показателе максимальную концентрацию загрязняющего вещества в подземных водах от гидрогенного воздействия источника загрязнения в виде инфильтрующихся сточных вод от ТМО или ПГА, проникающих в подземные воды и смешивающихся с последними в естественных условиях, после чего замеряют концентрацию загрязняющего вещества и сравнивают ее с заданной максимальной концентрацией и при превышении этого показателя регулируют интенсивность загрязнения нормированием воздействия инфильтрационных сточных вод на подземные воды, заключающимся в определении предельно допустимого сброса (ПДС) загрязняющего вещества в подземных водах за прогнозируемое расчетное время наращивания концентрации загрязняющего вещества в подземных водах под ТМО или ПГА, на конец которого ее концентрация не должна превышать заданную максимальную концентрацию, по формуле:

где C_max - максимально заданная концентрация загрязняющего вещества в подземных водах под ТМО или почвенной геохимической аномалией, т/м³;

С - содержание загрязняющего вещества в подземных водах в естественных условиях, т/м³;

m - мощность водоносного горизонта, м;

α - безразмерный коэффициент учета мощности водоносного горизонта при смешении фильтрующихся сточных вод с подземными водами (α=1 при m≤20 м, α=0,8 при 20 м<m<40 м, α=0,7 при m≥40 м);

L - длина стороны ТМО или почвенной геохимической аномалии, м;

n - пористость водоносных пород, безразмерная величина;

W_C - годовой объем сточных вод, фильтрующихся из ТМО или почвенной геохимической аномалии, м³;

Х₀ - расстояние, на которое пройдет загрязнение за год

Х₀=365К_фI_e, м;

К_ф - коэффициент фильтрации водоносных пород м/сут.;

I_e - уклон естественного потока подземных вод, безразмерная величина;

Т - расчетное время (число лет), на конец которого концентрация загрязняющего вещества в подземных водах не должна превысить значение C_max.

Признаки, отличающие предлагаемый способ от прототипа, характеризуются тем, что:

1. В качестве гидрогенного источника загрязнения принимают самую опасную инфильтрационную сточную воду от ТМО или ПГА, как наиболее приоритетный источник загрязнения с накоплением на территории Среднего Урала нескольких миллиардов тонн отхода, формирующих ТМО.

2. Способ оценки позволяет определить предельно допустимый сброс, которой является важнейшим экологическим нормативом воздействия ГМК на подземные воды, за которые предприятия несут экологическую ответственность. Поэтому неправильный учет этого воздействия приводит, с одной стороны, к негативным экологическим воздействиям, а с другой - необоснованным экономическим санкциям.

3. Количественная оценка ПДС является диагностическим признаком уровня трансформации окружающей среды при техногенной нагрузке территорий, уже сформировавших мощное техногенное загрязнение.

4. Предельно допустимый сброс регламентирует нагрузку на окружающую среду и исходит из всего прогнозируемого (расчетного) срока действия предприятия, то есть является основополагающим в оценке экологической безопасности рассматриваемой территории.

Способ оценки трансформации окружающей среды регулирует интенсивность загрязнения и, таким образом, предопределяет технологию производства и имеет важное практическое значение.

Данные, приведенные ниже, подтверждают высокую эффективность предложенного способа по сравнению с прототипом.

Проверка патентоспособности заявляемого изобретения показывает, что оно соответствует изобретательскому уровню, так как не следует для специалистов явным образом.

Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что в настоящее время в ней не содержатся вышеприведенные сведения и соответствует критерию «новизна».

Предлагаемый способ оценки трансформации окружающей среды при техногенном воздействии осуществляли в районе Качканарского горно-обогатительного комбината, эксплуатирующего Гусевогорское месторождение Качканарской группы. Применение крупной высокопроизводительной техники в сочетании с широким фронтом горных работ и большими запасами руд обеспечивает комбинату высокий уровень добычи на прогнозируемый длительный период (около 50 лет). Потоки загрязняющих веществ формируются на всех стадиях переработки минерального сырья: добычи, обогащения и металлургического передела.

Наиболее интенсивно идет накопление загрязняющих веществ (металлов) в составе отходов производства с образованием скоплений минеральных веществ на поверхности земли (ТМО).

Для определения оценки трансформации окружающей среды при техногенном воздействии предварительно задавали максимальную концентрацию загрязняющего вещества в подземных водах от гидрогенного воздействия инфильтрующихся сточных вод от ТМО или ПГА, базирующуюся на нормативах ПДК или фоновом показателе.

Инфильтрационные сточные воды, проникая в подземные воды, смешиваются в естественных условиях, после чего замеряли концентрации загрязняющих веществ и сравнивали их с заданной максимальной концентрацией. При превышении этого показателя регулировали интенсивность загрязнения нормированием воздействия инфильтрационных сточных вод на подземные воды, заключающимся в определении предельно допустимого сброса загрязняющих веществ в подземных водах за весь период работы горно-обогатительного комбината.

От количества загрязняющих веществ, поступающих с инфильтрационными водами из ТМО, зависит их содержание в подземных водах. К последним предъявлены особенно жесткие требования, так как они являются связующим звеном в системе поверхность-водный объект.

Сведения, подтверждающие осуществление предлагаемого изобретения с получением вышеуказанного технического результата, а также сопоставление его эффективности с известным (по прототипу) приведены в примерах и таблицах.

Пример 1 (по прототипу).

Способ предусматривает взятие проб подземных вод из наблюдательных скважин.

Анализ показателей скважин 6 и 8 (см. таблицу 2) наиболее опасен для окружающей среды, а другие - никаких превышений в качественном составе подземных вод не выявили.

Таким образом, ТМО создало реальную угрозу загрязнения подземных вод, и с годами обстановка будет только ухудшаться, поэтому необходимо нормирование воздействия сточных вод на подземные воды.

Пример 2. Предлагаемый способ осуществляли следующим образом: для проведения работ определяли компоненты окружающей среды, такие как концентрацию загрязняющих веществ в инфильтрационных стоках от ТМО в подземных водах данной территории в естественных условиях. Подземные воды отбирались на специально созданной системе наблюдательных скважин с использованием самоходной буровой установки УРБ-2а-2. Глубина скважины 50 метров, правила отбора проб воды выполняли в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб».

К параметрам, необходимым для оценки уровня загрязнения подземных вод, относится коэффициент фильтрации (Кф) водоносных пород, его определяли на компрессионно-фильтрационном приборе по методике П.П. Климентова, В.М. Кононова (Климентов П.П., Кононов В.М. Методика гидрогеологических исследований. - М.: Высшая школа, 1989); а также пористость водоносных пород (п), которую определяли по Рекомендации по проведению гидрохимического опробования и физико-химических исследований для оценки загрязнения подземных вод (ПНИИС). - М.: Стройиздат, 1986.

Замеры концентраций загрязняющих веществ велись по трем скважинам и представлены в таблице 3.

Анализ оценки гидрогенного воздействия по горно-обогатительному комбинату показывает, что концентрации всех загрязняющих веществ, инфильтрующихся под ТМО, превышают и фоновую концентрацию, и ПДК для одной из категорий водопользования.

Смешение инфильтрующихся вод с подземными происходит по всей мощности водоносного горизонта: она превышает 40 м и равна 70% с коэффициентом мощности водоносного горизонта α=0,7 (по В.М. Гольдберг «Взаимосвязь загрязнения подземных вод из природной среды» - Л.: Гидрометиздат, 1987).

Критерии оценки экологического состояния компонентов авторы изобретения основывали на сочетании предельно допустимых и фоновых концентраций. Если значения ПДК и фоновых показателей близки, то в качестве критериев (C_max) использовались ПДК категории водопользования по СанПиНу 2.1.4.559-96 (для марганца). Если ПДК и фоновые показатели отличались друг от друга, то в качестве критериев принимались фоновые (для меди и цинка) (смотри таблицу 4).

Заданная максимальная концентрация загрязняющего вещества в подземных водах определяли с учетом смешения инфильтрационных сточных вод под ТМО с длиной L=2000 м и последующим отжатием образующейся смеси загрязненных вод естественным потоком подземных вод. То же относится и к почвенным химическим аномалиям.

Расчетный срок Т действия комбината принят равным 50 годам.

Все необходимые данные для определения предельно допустимого сброса (ПДС) загрязняющих веществ в подземные воды представлены в таблице 5.

Расчетная формула для определения предельно допустимого сброса загрязняющего вещества (т/год):

ПДС_Mn=0,455 т/год

ПДС_Cu=0,019 т/год

ПДС_Zn=0,146 т/год

Таким образом, с использованием формулы нормируют воздействие инфильтрационных сточных вод на подземные воды.

Нормированный предельно допустимый сброс загрязняющего вещества: Mn=0,455 т/год, Cu=0,019 т/год, Zn=0,146 т/год не вызовет трансформацию окружающей среды на весь (50 лет) прогнозируемый срок работы комплекса.

Количественная оценка ПДС служит диагностическим признаком уровня трансформации окружающей среды и позволяет создавать ответную реакцию на загрязнение и значительное увеличение платы за сброс, что послужит мощным стимулом для разработки мер по переходу на технологии более чистого производства с целью охраны окружающей среды, учитывая то обстоятельство, что масштабность реального разрушения окружающей среды на Урале достигла такой фазы, когда дальнейшее освоение минеральных ресурсов недр невозможно без учета экологических проблем.