Исследование, оценка и оптимизация уровня экологической безопасности окружающей среды в условиях горного производства

Цейтлин, Евгений Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование, оценка и оптимизация уровня экологической безопасности окружающей среды в условиях горного производства
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Исследование, оценка и оптимизация уровня экологической безопасности окружающей среды в условиях горного производства"

На правах рукописи 005532025

Цейтлин Евгений Михайлович

Исследование, оценка и оптимизация уровня экологической безопасности окружающей среды в условиях горного производства (на примере Среднею Урала)

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология» (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

15 АВГ 2013

Екатеринбург - 2013

005532025

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - Хохряков Александр Владимирович, доктор

технических наук, профессор Официальные оппоненты: Болтыров Владимир Босхаевич,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», профессор кафедры геологии и защиты в чрезвычайных ситуациях.

Высокинская Раиса Владимировна,

кандидат геолого-минералогических наук, Уральский филиал ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации, заведующая кафедрой экологии и природопользования».

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук»

Защита диссертации состоится 25 сентября 2013 г. в 14.30 ч на заседании диссертационного совета Д 212.280.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620000, Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева 30 (3-ий учебный корпус, ауд. 3326)

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан «5» августа 2013 г.

Ученый секретарь ,

диссертационного совета Л.Б. Макаров

Актуальность работы

По сравнению с прочими промышленными комплексами, горные предприятия оказывают наиболее разностороннее воздействие на все элементы геосферы: литосферу, гидросферу, атмосферу, биосферу, а также на социосферу. Увеличение объемов извлекаемой на поверхность горной массы, чаще всего за счет месторождений с малым содержанием полезного компонента, сопровождается прогрессирующим накоплением на земной поверхности отходов горного производства. В связи с этим оно становится все более агрессивным по отношению к окружающей среде. По опубликованным данным, площадь отвалов горнодобывающих и горноперерабатывающих производств в мире превышает 10 млн га. В России функционирует около 4000 предприятий по добыче и переработке минерального сырья. Действует более 600 шахт и рудников с подземной добычей угля, руд металлов, минеральных удобрений, а также более 400 карьеров и разрезов. Только в угольной промышленности работают 230 шахт и 65 разрезов, 74 обогатительные фабрики. В настоящее время в России количество неутилизированных отходов горного производства достигает 45 млрд тонн на площади 250 тыс. га. Регионы интенсивной добычи сырья уже стали ареной экологической катастрофы, в том числе это характерно и для Уральского региона. Среди предприятий Уральского региона основную долю в загрязнение окружающей среды вносят горные предприятия Свердловской области. Так, в 2011 году, по данным государственной статистической отчетности в Свердловской области, более 30 % из более чем 1 млн выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ, более 50 % , из почти 500 тыс. сброшенных загрязняющих веществ в водные объекты и более 90 %, из почти 185 млн тонн образованных отходов пришлось на горнопромышленный комплекс. Всего в отвалах, хвостохранилищах и других местах размещения отходов по Свердловской области размещено более 8.8 млрд тонн промышленных отходов, которые оказывают крайне негативное воздействие на окружающую среду (ОС) и здоровье человека.

В современных условиях ограниченности ресурсов, в том числе для решения экологических задач, объективная оценка уровня экологической безопасности того или иного технологического или организационного решения, предприятия в целом является насущной необходимостью. Различные аспекты оценки и изучения негативного воздействия горнопромышленного комплекса

на окружающую среду, а также минимизации такого воздействия рассматриваются в работах: В.А. Акимова, Н.Ю. Антониновой, A.C. Астахова, J1.H. Белан, В.Н. Башкина, Ф.Ф. Брюханя, С.Н. Волкова, В.И. Голика, А.Я. Гаева, И.В. Галицкой, В.А. Гридина, О.Н.Грязнова, О.М. Гуман, Е.М. Дутова, М.Н. Игнатьевой, Р.Г. Ибламинова, Ю.А. Израэля, В. Д. Кальнера, В.И. Комащенко, М.М. Конорева, C.B. Корнилкова, С.Г. Ковалева, И.В. Леонова, Н.Г. Максимовича, М.Ф. Маргпалкина, В.М. Матвеевича, А.Т. Никитина, В.И Осипова., А.Н. Павлова, М.Е. Певзнера, Л.П. Рихванова, Е.Е. Румянцева, И.Г. Сазонова, A.B. Скалина, C.B. Сергеева, А.И. Семячкова, Г.П. Серова, С.Г. Серова, В.И. Сынзыныса, В.Т. Трофимова, А.Ф. Фадеичева, В.А. Харченко, Т.А. Хоружая, A.B. Хохрякова, А.Г. Шмаля, С.Л. Шварцева, В.М. Швеца, Е.Г. Язикова.

Существует три принципиально различных подхода к оценке экологической безопасности промышленных объектов: подход, основанный на показателях нормирования, закрепленный в ФЗ «Об охране окружающей среды», а также описанный в работах Хоружая Т.А., Никитина А.Т. и др.; подход, базирующийся на оценке экологического риска, описанный у Акимова В.А., Башкина В.Н. и др.; эколого-экономический подход, основанный на методе «интегрального критерия» описанный Астаховым A.C. и Харченко В.А. Основные недостатки существующих подходов заключаются в сложности учета специфики воздействий промышленных объектов; затруднительности обоснования приоритетных экологических задач для предприятия; субъективности ранжирования предприятий по степени экологической опасности.

Таким образом, разработка метода комплексной оценки экологической безопасности горного производства с учетом уже имеющихся на сегодня научных подходов является актуальной задачей.

Идея исследования состоит в разработке критерия оценки экологической безопасности горного производства, основанного на учете комплекса разнокачественных экологических, технологических и геологических факторов.

Целью исследования является создание универсальных методических положений оценки экологической безопасности горного производства с учетом специфики минерально-сырьевого комплекса.

Задачи исследования:

1. Исследование специфических особенностей загрязнения окружающей среды, характерных для минерального-сырьевого комплекса.

2. Разработка методологического подхода исследования и оценки воздействия горных предприятий на окружающую среду, основанного на методе «интегрального показателя экологической опасности».

3. Разработка метода выбора комплекса наиболее эффективных мероприятий, направленных на минимизацию негативных воздействий горного предприятия на окружающую среду.

Объектами исследования являются горные предприятия и их воздействие на элементы геосферы: атмосферу, литосферу, гидросферу, биосферу, а также социосферу. В качестве объектов исследования выбраны наиболее крупные предприятия минерально-сырьевого комплекса Среднего Урала, осуществляющие разработку месторождений различных видов минерального сырья: Баженовского месторождения хризотил-асбеста, Гусевогорского месторождения титаномагнетитовых руд и Лебяжинского месторождения скарново-магнетитовых руд.

Предметом исследования является изменение уровня экологической безопасности горных предприятий в зависимости от совокупности геоэкологических, инженерно-технических, природных и региональных факторов.

Фактический материал

Информационной основой диссертационной работы являются результаты научной и практической деятельности кафедры инженерной экологии Уральского государственного горного университета в период с 2003 по 2013 гг. Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. при выполнении работы «Создание системы рационального, экологически безопасного и экономически эффективного пользования недрами при добыче и переработке минерального сырья в современных условиях» (Госконтракт Шифр 2010-1. 2. 1 - 101 - 006) под руководством доктора технических наук A.B. Хохрякова и включали аналитический, подготовительный, технологический, камеральный и заключительный этапы. За

период 2010-2013 гг. с участием автора написано 4 научно-производственных отчета.

Методы исследований. Методологическую основу исследования составили изучение, анализ и обобщение геологических, инженерно-геологических и геоэкологических материалов, данных статистической отчетности горных предприятий, фондовых и опубликованных материалов по изучаемой тематике, а также математические методы обработки результатов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработан новый подход к оценке экологической безопасности горного производства, основанный на применении интеграчьного показателя экологической опасности, который позволяет определять приоритетные экологические задачи горного предприятия, ранжировать их по степени экологической опасности, определять первоочередные мероприятия, реализация которых позволяет оптимизировать негативное воздействие горного предприятия на окружающую среду.

• Предложен унифицированный критерий оценки экологической безопасности горных предприятий.

• Предложен новый метод оценки природоохранных мероприятий с использованием интегрального показателя экологической опасности, направленный на оптимизацию негативного воздействия горных предприятий на окружающую среду.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием значительного объема исходных материалов, применением современных методов обработки информации и подтверждается корректной постановкой задач исследования. Полученные в работе результаты хорошо согласуются с новейшими данными, опубликованными другими авторами.

Защищаемые положения

1. Существующие методы оценки воздействия горного производства на окружающую среду не обеспечивают достаточной полноты учета всех негативных факторов. Предложенный интегральный показатель экологической опасности горного производства базируется на комплексе разнокачественных экологических, технологических и геологических факторов и позволяет оптимизировать негативное воздействие горнопромышленного комплекса на окружающую среду.

2. Применение интегрального показателя экологической опасности позволяет обоснованно определить приоритетные экологические задачи для каждого предприятия и выбрать наиболее эффективные природоохранные мероприятия, обеспечивающие оптимизацию негативного воздействия горного производства на окружающую среду.

Личный вклад. Диссертант лично участвовал в сборе, анализе, интерпретации, обобщении представленных в диссертации данных, что явилось основой для разработки методологического подхода к оценке экологической безопасности горного производства, с использованием интегрального показателя экологической опасности и выполнением необходимых расчетов.

Практическая значимость исследования заключается в том, что разработан подход к оценке экологической безопасности горных предприятий, позволяющий проводить оценку их воздействия в числовом виде и определять приоритетные экологические задачи горного предприятия. Разработан метод выбора первоочередных природоохранных мероприятий в конкретных условиях. Проведенные на примере ряда горнодобывающих предприятий Уральского региона исследования позволили выработать практический подход, позволяющий руководству предприятий эффективно использовать ресурсы, направленные на минимизацию негативного воздействия горного предприятия на окружающую среду и максимально снижать такое воздействие. Данный подход позволяет оптимизировать негативное воздействие горного предприятия на окружающую среду.

Апробация результатов исследования

Положения диссертации докладывались и обсуждались: на международных научно-практических конференциях молодых ученых и студентов на Уральской горнопромышленной декаде (Екатеринбург, апрель 2011, апрель 2012, апрель 2013), Международном инновационном форуме «Young Elpit» в рамках Третьего Международного экологического конгресса Elpit - 2011 (г. Тольятти, сентябрь 2011 г.), на VII Международной Краковской конференции молодых ученых (Польша, г. Краков, сентябрь 2012 г.), Международной научной конференции «Экологические проблемы горнопромышленных регионов (г. Казань, 12-13 сентября 2012 г.), X Всеукраинской научной конференции студентов, магистров и аспирантов "Современные проблемы экологии и геотехнологий" (г. Житомир,

апрель 2013 г), Международном конкурсе научно-исследовательских проектов молодых ученых и студентов EURASIA GREEN, (Екатеринбург, май 2013 г.).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержит 194 страницы, 16 рисунков и 50 таблиц, список литературы включает 86 наименований.

Во введении показаны актуальность исследований, цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1 посвящена анализу состояния окружающей среды в Уральском регионе. Дан обзор существующих подходов к оценке экологической безопасности. Определены их преимущества и недостатки.

В главе 2 отражены особенности воздействия горного производства на окружающую среду и геоэкологические характеристики региона.

В главе 3 описан новый подход к оценке экологической безопасности горного производства, основанный на использовании интегрального показателя экологической опасности. Данный подход позволяет определять приоритетные экологические задачи горных предприятий и их приоритетные объекты, ранжировать их по степени экологической опасности, выбирать наиболее эффективные мероприятия, внедрение которых позволит оптимизировать их негативное воздействие на окружающую среду, обосновывать изменение технологических параметров технологических решений с позиции экологической безопасности.

В главе 4 приводится краткая геологическая характеристика крупнейшего в мире Баженовского месторождения хризотил-асбеста; проведена оценка экологической безопасности ОАО «Ураласбест», определены его приоритетные экологические задачи и приоритетные объекты, выбраны мероприятия, внедрение которых позволит оптимизировать негативное воздействие горного производства на окружающую среду, проведена оптимизация технологических параметров технологических объектов на примере модельного отвала

В главе 5 дается краткая геологическая характеристика магматогенного Гусевогорского магнетитового месторождения вкрапленных титано-магнетитовых руд и Лебяжинского месторождения скарново-магнетитовых руд; проведена оценка экологической безопасности ОАО «Качканарский ГОК «Ванадий» и ОАО «ВГОК», определены их приоритетные экологические

задачи, определен сравнительный уровень экологической опасности данных предприятий для окружающей среды.

В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.

Благодарности. Автор искренне благодарен д.т.н. проф. A.B. Хохрякову за научное руководство работой, к.г.-м.н., доц. А.Ф. Фадеичеву за ценные научные консультации, а также всему коллективу кафедры инженерной экологии УГГУ за постоянную поддержку, научные и методические советы в ходе работы над диссертацией.

Диссертационная работа соответствует следующим пунктам паспорта специальности 25.00.36 «Геоэкология» (науки о Земле - геолого-минералогические науки): п.п. 1.8, 1.10, 1.11, 1.17.

Защищаемые положения:

1. Существующие методы оценки воздействия горного производства на окружающую среду не обеспечивают достаточной полноты учета всех негативных факторов. Предложенный интегральный показатель экологической опасности горного производства базируется на комплексе разнокачественных экологических, технологических и геологических факторов и позволяет оптимизировать негативное воздействие предприятий минерально-сырьевого комплекса на окружающую среду.

Воздействие горного производства на атмосферу выражается в ее загрязнении и ландшафтно-географических и климатических изменениях. Воздействие горного производства на гидросферу заключаются в изменении гидродинамического режима поверхностных и подземных вод и их загрязнении. Воздействие горного производства на литосферу заключается в воздействии на недра, почвы и поверхность (изменение природных ландшафтов). Воздействие горного производства на биоценозы и социосферу заключается в деградации фито- и зооценозов, разрушении объектов промышленного производства, жилого фонда, культуры и росте заболеваемости и смертности людей.

Существующие методы оценки негативного воздействия на окружающую среду не обеспечивают полноты учета всех факторов, определяющих это воздействие. Под оптимизацией негативного воздействия горного производства понимается выбор наиболее эффективных инженерно-

технических мероприятий для решения приоритетных экологических задач предприятия на основе оценки экологической безопасности горного предприятия.

Экологическое воздействие горного производства в значительной мере обусловлено видом полезного ископаемого, условиями залегания, объемами и технологией добычи и переработки, а также географо-экономическим положением объекта. С последним связаны климат, ландшафтно-географические условия, гидрографические характеристики района, а также фоновый уровень загрязнений окружающей среды. Вид полезного ископаемого во многом определяет технологию и технику, применяемые при добыче полезного ископаемого, а также тип и уровень выбросов, сбросов загрязнений в окружающую среду, характер и количество размещаемых отходов. Геологическая карта Урала представлена на рис. 1. Руды цветных и редких металлов отличаются сложностью геологического строения месторождений и рудных тел, нередко значительными глубинами залегания, относительно небольшими запасами и объемами добычи, определяющими подземный способ разработки. Первичный минеральный состав руд характеризуется наличием высокотоксичных тяжелых металлов и компонентов (Си, 2п, Сё, №, Со, Мп, Аб, и др), которые выделяются при переработке в окружающую среду (особенно в гидросферу). Руды радиоактивных элементов содержат и, ТИ, Яа, Ян, К-40 и продукты их радиоактивного распада в атмосферу и гидросферу.

Руды черных металлов и строительные материалы характеризуются незначительной примесью токсичных элементов, но большими запасами и объемами добычи, особенно сильно влияющими на литосферу и ландшафты.

При оценке экологической безопасности производства учитывается специфика Уральского региона. Основным источником загрязнения окружающей среды является горнопромышленный комплекс. Воздействие от такого вида промышленности весьма специфично. Из всех факторов воздействия горнопромышленного комплекса на окружающую среду ведущим является вид полезного ископаемого. Он определяет технологию добычи и переработки минерального сырья; объемы производства; химический состав и объемы выбросов в атмосферу и сбросов в гидросферу; применяемые реагенты и их количество; характер и количество выделяемых отходов; воздействие на литосферу: недра, земли, почвы; основные загрязнители и их класс опасности.

Рис. 1 - Геологическая карта Урала

Антропогснооэ« (четверти*« -__________________мая)система

] Палеогеновая система

* Меловая система

| Юрская система

__1_________] Триасовая система

р 1 Пермская система

с Каменноугольная система

-Нижний карбон и верхний

девой

] Девонская система

5 ! Сияурнйск« система

о Ораовнксм« система

с "] Кембрийская система

Рй 1 Протерозой

Средний палеозой, нерасчле неиний в часштабг- карты

* | Архей

Гипербазмты

| Габбро

Граниты

Щелочные интрузии

верхний палеозой

I неисм амфиоол^ты. слании неясного возраста

Основными рудами, добываемыми и обогащаемыми на Урале, являются: железные руды, медные руды, марганцевые руды, хромовые руды, руды золота, редкие и рассеянные элементы, уголь, углеводороды и строительные материалы. Для каждого типа руды характерны свои основные загрязняющие вещества. Таким образом, наибольшее воздействие на окружающую среду оказывают крупные месторождения рудных и нерудных полезных ископаемых, в особенности, если в рудах присутствуют тяжелые металлы и токсичные элементы.

Оптимизация негативного воздействия горного производства на окружающую среду будет проходить в 2 этапа: 1) комплексная оценка экологической безопасности горного производства и выбор его приоритетных экологических задач; 2) выбор наиболее эффективного природоохранного мероприятия, внедрение которого позволит оптимизировать негативное воздействие горного производства на окружающую среду.

Для определения степени экологической безопасности необходимо комплексно оценить негативное воздействие горного предприятия на окружающую среду. При этом степень экологической безопасности тесно связана со степенью экологической опасности. Чем выше экологическая опасность, тем ниже экологическая безопасность.

Оценка экологического воздействия предприятия на окружающую среду подразумевает проведение оценки его воздействия на все элементы биосферы: литосферу, атмосферу, гидросферу и биоценозы и зооценозы.

Оценку экологической опасности производства предлагается производить по четырем базовым факторам, а также по трем дополнительным факторам. Под базовыми факторами понимают факторы, характерные для любого предприятия, под дополнительными - факторы, учитывающие специфику горного производства (главным образом это вид полезного ископаемого). Все показатели имеют разные шкалы оценки и разный физический смысл и требуют сравнивания друг с другом. Мерой каждого показателя на начальном уровне является его качественное описание.

Количественное описание системы, которое используется для принятия решения, можно представить в виде целевой функции:

Ыц = Лу(1 -

^¿/шах

) ■ (1

Ы=1

п Рсушах~Р{; ,(=1 -

_"г у П1Л X -

О:

(1)

где N - интегральный показатель экологической опасности горного производства, - показатель весомости базового фактора кч _ значение интенсивности воздействия фактора на элемент биосферы, Л^ша«—максимально возможный уровень воздействия фактора на окружающую среду, ри — величина интенсивности воздействия фактора, учитывающего специфику горного производства на ]-й элемент биосферы, определенная экспертным методом; р„тах - максимальная величина интенсивности воздействия фактора, учитывающего специфику горного производства; / -фактор воздействия, учитывающих специфику горного производства; п -количество факторов воздействия, учитывающих специфику горного производства; /' - базовый фактор. Интегральный показатель N является безразмерной величиной и может принимать значения от 0 и выше. Показатель весомости базового фактора А. определяет вклад базового фактора в воздействие на элемент биосферы.

Данный показатель рассчитывается для каждого из элементов биосферы. Затем рассчитывается интегральный показатель экологической опасности всех факторов воздействия на элемент биосферы. Расчет суммарного интегрального показателя экологической опасности для элемента биосферы производится по (2) -

= (2) где Ып, — суммарный интегральный показатель экологической опасности для элемента биосферы.

Интегральный показатель экологической опасности всех факторов воздействия является критерием выбора элемента биосферы, на который горное предприятие оказывает преимущественное воздействие.

Предлагаемый подход позволяет не только выявлять приоритетные экологические задачи для горного предприятия, но и ранжировать основные источники воздействия горных предприятий на окружающую среду (например, отвалы, обогатительная фабрика, карьер, шламохранилище и т.д.). Алгоритм выбора наиболее экологически опасных источников воздействия аналогичен алгоритму выбора приоритетных экологических задач.

Автором была разработана шкала оценки уровня экологической опасности горного предприятия (табл. 1):

Таблица 1

Шкала оценки степени экологической опасности

Уровень негативного воздействия Очень Низкое Низкое Среднее Высокое Очень высокое Чрезвычайно высокое

Количество баллов 0-0,20 0,210,40 0,41-0,60 0,61-0,80 0,811,00 >1

Критерием определения экологической безопасности горного предприятия является интегральный показатель экологической опасности фактора, для которого данный показатель максимален, то есть фактора, вносящего наибольший вклад в загрязнение окружающей среды предприятием.

После оценки экологической безопасности предприятия и определения его приоритетных экологических задач необходимо выбрать несколько мероприятий, которые способны решить данные задачи, а затем определить наиболее эффективное мероприятие, внедрение которого наиболее экологически оптимально и эффективно. Для этого необходимо определить показатель экологической опасности каждого из мероприятий. Первоначально рассчитывается интегральный показатель экологической опасности факторов воздействия каждого мероприятия. Расчет данного показателя производится по следующей формуле:

N1= (3)

где ЯI - показатель весомости ¡-о фактора для окружающей среды, &г - уровень воздействия ¡-о фактора на окружающую среду, к1тах - максимальный уровень воздействия ¡-го фактора на окружающую среду

Затем определяется суммарный интегральный показатель экологической опасности каждого из мероприятий (2). Согласно данному утверждению, критерием выбора наиболее эффективного мероприятия является интегральный показатель экологической опасности. То мероприятие, для которого данный показатель минимальный, и будет наиболее эффективным.

Очень часто на производстве при строительстве или реконструкции технологических объектов перед руководством встает вопрос обоснования наиболее экологически безопасных технологических параметров конкретного объекта Для этого также может быть рекомендован метод «интегрального показателя экологической опасности». Расчет данного показателя производится по (3).

Данный подход также позволяет определять приоритетные объекты на горном предприятии, которые оказывают наибольшее воздействие на окружающую среду.

В качестве примера рассмотрим ОАО «Ураласбест», где ведется добыча и переработка асбестосодержащей руды. Данное предприятие является достаточно типичным примером горных предприятий Уральского региона.

Баженовское месторождение хризотил-асбеста приурочено к одноименному массиву гипербазитов. Большая часть массива сложена серпентинитами, образующими полосы различной мощности вокруг сохранившихся серпентинизированных блоков перидотитов. Ширина полос серпентинитов колеблется от сотен метров до 1,5 км. Среди серпентинитов выделяется две основные группы: промышленно асбестоносные серпентиниты, безрудные мезардитовые серпентиниты. Рудные тела месторождения имеют различную форму, но в основном это эллипсообразные, иногда сплюснутые тела различных размеров. Ряд залежей имеют чашеобразную форму.

Производственная деятельность ОАО «Ураласбест» оказывает воздействие на атмосферу, гидросферу и литосферу. При этом ежегодно на комбинате наблюдаются превышения по сбросу соединений азота вместе с дренажными водами из карьера в реку Рефт. Результаты расчета интегрального показателя экологической опасности для каждого фактора по элементам биосферы для ОАО «Ураласбест» показали, что снижение концентрации азотсодержащих веществ является приоритетной экологической задачей для ОАО «Ураласбест». Уровень экологической опасности ОАО «Ураласбест» на окружающую среду чрезвычайно высокий.

Кроме того, в рамках проводимых исследований выявлены приоритетные объекты, которые оказывают преимущественное воздействие на окружающую среду, и построена геоэкологическая карта, на которой графически отражены уровень экологической опасности каждого из объектов. В качестве основных объектов-загрязнителей окружающей среды были

выбраны отвалы, карьер и обогатительная фабрика. Был проведен расчет интегрального показателя экологической опасности для каждого из объектов. Результаты показаны на рис. 2. Согласно полученным результатам, наибольшее воздействие на окружающую среду оказывает карьер, затем отвалы и, наконец, обогатительная фабрика.

Кафедрой инженерной экологии Уральского государственного горного университета в 2012 году была проведена экспертная оценка различных физико-химических, химических и биологических методов очистки сточных вод от соединений азота. На основании проведенного анализа выбраны три метода очистки дренажных вод, наиболее приемлемые для условий ОАО «Ураласбест»: с использованием гипохлорита натрия, с помощью биологической очистки по технологии ОАО «НИИ ВОДГЕО», и с помощью биологической очистки по технологии Апашшох. Для сравнительной оценки экологической безопасности предлагаемых методов очистки в диссертации выполнен расчет интегрального показателя экологической опасности каждой из предложенных технологий. Проведенная оценка показала, что наибольшей экологической безопасностью обладает метод биологической очистки по технологии Апашшох.

При строительстве или реконструкции технологических объектов перед предприятием встает вопрос обоснования наиболее экологически безопасных технологических параметров конкретного объекта. В частности, при обосновании параметров отвалообразования, среди прочего встает вопрос, что экологически безопаснее: отсыпать отвал с увеличением его высоты при неизменной площади основания отвала (вариант 1) или с увеличением площади основания отвала при неизменной высоте (вариант 2). В данном случае рассмотрены крайние варианты. После проведения расчета интегрального показателя экологической опасности обоих вариантов результаты были выражены графически в виде кривых изменения интегрального показателя экологической опасности с изменением высоты отвала при неизменной площади и неизменной высоте отвала при изменяемой высоте (рис. 3-4).

Установлено, что уровень экологической безопасности первого варианта выше уровня второго варианта почти в 6 раз.

В процессе работы были определены приоритетные экологические задачи и уровень экологической опасности ОАО «Качканарский ГОК

«Ванадий» и ОАО «Высокогорский ГОК», которые, наряду с ОАО «Ураласбест», являются крупнейшими горными предприятиями в Уральском регионе.

Условные обозначения

Уровень экологической опасности объекта

- очень низкий - высокий

- низкий - очень высокий

- средний . чрезвычайно высокий ЦШ - жилая зона ' б°лота Ц - реки и озера

Масштаб 1:170000

Рис. 2. Схематическая карта уровня экологической опасности объектов ОАО «Ураласбест»

Сырьевой базой Качканарского ГОКа является Гусевогорское месторождение Качканарской группы магматогенных малотитанистых титаномагнетитовых месторождений Среднего Урала.

л- 9,05

9,30 9,25 9.Д1 9,15 9,10 9,05 9,00 ♦"'9,00 8,95 8,90 8,85

50,00 55,20 60,40 65,60 70,80 76,00 Высота отвала, м

-Суммарный интегральный показатель экологической опасности

Рис. 3. График изменения интегрального показателя экологической опасности с изменением высоты отвала при неизменной площади

I § я 1

I I

-суммарный мнт<?фллм4ый показатель экологической опасности

100,00 1 14,43 124.81 135,19 145,57 155,95 Площадь отвала, га

Рис. 4. График изменения интегрального показателя экологической опасности с изменением площади отвала при неизменной высоте

Месторождения известны более двух столетий. Месторождения

приурочены к Качканарскому интрузивному массиву Главного габброидного

платиноносного пояса Урала. Оруденение представлено вкрапленностью

титаномагнетитовых руд в пироксенитах, слагающих два обособленных

массива среди габброидов Гусевогорский и Собственно-Качканарский.

Промышленное оруденение концентрируется в обособленных участках,

разделённых между собой безрудными породами. К рудам отнесены породы с

содержанием общего железа более 14 %. В рудах имеются примеси титана

(1,3 % ТЮ2) и ванадия (0,13% У205), из которых промышленное значение имеет

ванадий.

Сырьевой базой ВГСЖа являются месторождения 'Гагило-Кушвинской группы контактово-метасоматического генезиса, приуроченные к контактам Тагильского интрузивного комплекса с вмещающими породами. Наиболее крупными месторождениями являются Высокогорское, Гороблагодатское, Лебяжинское, Естюнинское. Рудные тела представлены линзообразными и пластообразными залежами массивных и прожилково-вкрапленных магнетитовых руд. Мощность рудных зон достигает нескольких сотен метров, протяженность по простиранию - несколько километров. Руды представлены магнетитом с примесью сульфидов - пирита и халькопирита - и содержат железа от 20 до 50 %. В рудах присутствуют примеси кобальта, меди, серы и фосфора.

На ОАО «Качканарский ГОК» наблюдаются превышения по выбросам и сбросам загрязняющих веществ. Расчет интегрального показателя экологической опасности для каждого фактора для каждого элемента биосферы показал, что наибольший вклад в загрязнение окружающей среды вносит сверхнормативное загрязнение водных объектов, что и является приоритетной экологической задачей для ОАО «КГОК». Уровень экологической опасности ОАО «КГОК», согласно шкале оценки экологической опасности, чрезвычайно высокий.

У комбината ОАО «ВГОК» (Лебяжинская промплощадка) не наблюдаются превышения базовых факторов. Была проведена оценка экологической опасности ОАО «ВГОК». Результаты оценки экологической опасности показали, что уровень экологической опасности ОАО «ВГОК» в границе промплощадки Лебяжинской согласно шкале экологической опасности слабый, приоритетной экологической задачей ОАО «ВГОК» (промплощадка Лебяжинская) является снижение сброса загрязняющих веществ.

Заключение

В результате проведенных исследований предложен новый подход к оценке воздействия горного предприятия на окружающую среду и экологической безопасности самого предприятия, включающий учет интенсивности воздействия с ранжированием по уровням влияния всех факторов воздействия на все элементы биосферы: атмосферу, литосферу, гидросферу и социосферу.

Данный подход позволяет ранжировать предприятия по степени экологической безопасности, выявлять приоритетные экологические задачи горных предприятий, искать наиболее эффективные инженерно-технические мероприятия, способные решить данные задачи, выбирать наиболее экологически безопасные технологические параметры для технологических решений. Предложенный метод может быть использован не только для горных предприятий, но для предприятий других отраслей с учетом их специфики.

В качестве примера произведена оценка экологической опасности ОАО «Ураласбест» и других его объектов, определены приоритетные экологические задачи, выбраны наиболее эффективные природоохранные мероприятия, внедрение которых позволит оптимизировать негативное воздействие ОАО «Ураласбест» на окружающую среду. Кроме того, были определены приоритетные экологические задачи ОАО «КГОК» и ОАО «ВГОК» и оценена их экологическая опасность.

Список работ по теме диссертации Статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Хохряков A.B., Фадеичев А.Ф., Цейтлин Е.М., Динамика изменения воздействия ведущих горных предприятий Урала на окружающую среду // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2011. №8. С. 44-53 (0,6 п.л)

2. Динамика негативного воздействия на окружающую среду на разных стадиях развития горного производства / А.Ф. Фадеичев, A.B. Хохряков, Н.В Гревцев, Е.М. Цейтлин // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2012. №1, С. 39-46 (0,5 пл.)

3. Проблемы охраны окружающей среды и рационального природопользования в условиях Свердловской области // Б.М. Александров, Н.В. Гревцев, А.Г. Шампаров, Е.М. Цейтлин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. №4. С. 346350 (0,3 пл.)

4. Хохряков A.B., Цейтлин Е.М. Образование отходов металлургических предприятий Урала и их воздействие на окружающую среду // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012, т. 14, №1 (3). С. 834-838 (0,3 п.л.)

5. Цейтлин Е.М. Оптимизация негативного воздействия горного производства с помощью интегрального критерия оценки экологической опасности // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельная статья (специальный выпуск).— 2013. — 6 журнал.— 16 с. (1 п.л.)

Другие публикации:

6. Динамика изменения воздействия горно-металлургического комплекса Урала на окружающую среду/ A.B. Хохряков, А.Ф. Фадеичев, Е.М. Цейтлин, Е.А. Летучая // Материалы Уральской горнопромышленной декады. Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Екатеринбург, 2011. С. 580-581 (0,1 п.л.)

7. Фадеичев А.Ф., Хохряков A.B., Цейтлин Е.М., Экологическое воздействие горных работ при доработке месторождений // Материалы уральской горнопромышленной декады. Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Екатеринбург, 2011. С. 578-579 (0,1 п.л.)

8. Цейтлин Е.М. Обоснование возможности рекультивации с использованием хвостов обогащения асбестовых руд для условий ОАО «Ураласбест»//Антропогенное воздействие на окружающую среду. Областной конкурс «Проблемы экологии и ресурсосбережения в 2010 году. Екатеринбург: УрФУ, 2011. С. 35-42 (0,5 п.л.)

9. Цейтлин Е.М., Динамика образования отходов производства ведущих горно-металлургических предприятий Урала и их воздействие на окружающую среду// Сборник научных докладов III Международного экологического конгресса «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT - 2011. Россия. Тольятти -Самара, 2011.С. 161-166 (0,3 п.л.)

10.Фадеичев А.Ф., Цейтлин Е.М. Особенности воздействия горных работ на атмосферный воздух // Материалы Уральской горнопромышленной декады, Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Екатеринбург, 2012. С. 638-639 (0,1 п.л.)

П.Хохряков A.B., Цейтлин Е.М., Актуальные вопросы оценки самозарастания породных отвалов // Материалы Уральской горнопромышленной декады.

Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Екатеринбург, 2012. С. 640-641 (0,1 п.л.)

12.Цейтлин Е.М., Новый подход к оценке экологической опасности горных объектов // Материалы Уральской горнопромышленной декады. Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Екатеринбург, 2012. С. 642-643 (0,1 п.л.)

13.Tseytlin Е.М., Features of environmental hazard assessment of mining enterprises/ Theses of the report of VII Krakow conference of young scientists, AGH University of Science and Technology in Krakow, 2012. P. 809-819 (0.6 пл.)

М.Цейтлин E.M. Об оценке экологической безопасности горных предприятий // Экологические проблемы горнопромышленных регионов: сборник докладов. Казань, 2012. С. 476-481 (0,7 пл.)

15.Цейтлин Е.М., Петровичева В.В. Использование интегрального критерия для определения приоритетных экологических задач горного предприятия //Современные проблемы экологии и геотехнологий: тезисы докладов X Всеукраинской научной конференции студентов, магистров и аспирантов. Житомир, 2013. С. 94 (0,1 п.л.)

16.Цейтлин Е.М. Методология выбора оптимальных природоохранных решений с помощью интегрального критерия оценки экологической опасности // Материалы Международного конкурса научно-исследовательских проектов молодых ученых и студентов Евразийского экономического форума молодежи EURASIA GREEN. Екатеринбург, 2013. С.23-24 (0.1 пл.)

17.Хохряков А. В., Фадеичев А. Ф., Цейтлин Е. М. Определение приоритетных экологических задач горного предприятия с помощью интегрального критерия//Сборник докладов Уральской международной научно-практической конференции «Уральская школа - регионам», Екатеринбург. 2013. С. 488-489 (0.1 пл.)

18.Хохряков A.B., Фадеичев А.Ф., Цейтлин Е.М. Применение интегрального критерия для определения экологической опасности предприятий горнопромышленного комплекса // Известия Уральского государственного горного университета. 2013. №1. С. 25-31 (0.4 п.л.)

Подписано в печать 09. 07. 2013 Формат 60 х 84 1/16

Бумага офисная Печать на ризографе

Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано с оригинал-макета в ИП Бобылев Копицентр «Университетский» 620144, г. Екатеринбург, пер. Университетский, 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Цейтлин, Евгений Михайлович, Екатеринбург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201 361 592

Цейтлин Евгений Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ, ОЦЕНКА И ОПТИМИЗАЦИЯ УРОВНЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В УСЛОВИЯХ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА (НА ПРИМЕРЕ СРЕДНЕГО УРАЛА)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук по специальности 25.00.36 - «Геоэкология» (науки о Земле)

Научный руководитель -д.т.н., проф. Хохряков А. В.

Екатеринбург -2013

Содержание

Введение..............................................................................................................................4

1. Существующие методы оценки экологической безопасности. Основные модели, применяемые для выбора экологически безопасных технологических решений.............................................................................................10

1.1 Существующие методы оценки экологической безопасности...................10

1.2. Классификация моделей исследования экологической безопасности. Анализ применимости методов и моделей оценки экологической опасности для целей проектирования и управления горным производством...................18

1.3 Необходимость оценки экологической опасности объектов и производств по комплексу разнокачественных показателей..................................................29

1.4 Формулировка целей исследования. Постановка задач исследования......31

2. Геоэкологические характеристики Уральского региона. Специфика воздействия на окружающую среду при добыче и переработке полезных ископаемых.......................................................................................................................33

2.1 Воздействие горнопромышленного комплекса на атмосферу....................37

2.2 Воздействие горнопромышленного комплекса на гидросферу..................44

2.3 Воздействие горнопромышленного комплекса на литосферу...................50

2.4 Воздействие горного производства на биоценозы и социальную сферу... 62

2.5 Геоэкологические характеристики региона..................................................66

2.6 Выводы по главе 2...........................................................................................70

3. Использование комплекса разнокачественных показателей для оценки экологической безопасности промышленных объектов. Системный подход

к построению моделей оценки......................................................................................72

3.1 Разработка методического подхода к исследованию и оценке воздействия горных предприятий на окружающую среду с помощью интегрального показателя экологической опасности. Обоснование структуры модели оценки перечня входящих в нее элементов......................................................................72

3.2 Географо-экономические и геологические элементы модели....................84

3.3 Элементы модели, отражающие специфику добычи и переработки

минерального сырья в условиях Уральского региона.......................................88 Л

3.3 Поиск приоритетных экологических задач для горного предприятия. Определение уровня экологической опасности горного предприятия............94

3.4 Алгоритм оценки экологической безопасности с помощью модели, основанной на разнокачественных экологических, технологических и геологических факторов........................................................................................99

3.5 Поиск приоритетных объектов горного предприятия, оказывающих наибольшее влияние на окружающую среду....................................................101

3.6 Разработка метода выбора комплекса наиболее эффективных мероприятий, направленных на минимизацию негативных воздействий горного предприятия на окружающую среду...................................................101

3.7 Алгоритм выбора наиболее эффективного природоохранного мероприятия с учетом оценки воздействия горного предприятия на окружающую среду.............................................................................................103

3.8 Оптимизация технологических параметров технологических объектов

, горного производства с позиции экологической безопасности......................104

3.9 Необходимые допущения для применения предлагаемого метода и модели оценки экологической безопасности.................................................................105

3.10 Выводы..........................................................................................................108

4. Применение метода «интегрального показателя экологической опасности» при оценке экологической безопасности конкретных производственных объектов и инженерно-технических решений на

примере ОАО «Ураласбест»........................................................................................109

4.1 Краткая геологическая характеристика минерально-сырьевой базы ОАО «Ураласбест»........................................................................................................109

4.2 Пример расчета уровня экологической безопасности горного производства для условий ОАО «Ураласбест»................................................119

4.2.1 Выявление приоритетных экологических задач предприятия ОАО «Ураласбест»...........................................................................................119

4.2.2 Выявление приоритетных экологических объектов для условий ОАО «Ураласбест»...........................................................................................125

4.2.3 Обоснование альтернативных методов снижения концентрации азотсодержащих соединений в дренажных водах ОАО «Ураласбест».......129

4.2.4 Краткое описание альтернативных методов очистки дренажных вод ОАО «Ураласбест» от соединений азота.................................................129

4.3 Оценка экологической безопасности предлагаемых инженерно-технических решений. Выбор наиболее экологически безопасного метода. 135

4.4 Оценка экологической безопасности ОАО «Ураласбест» после проведения рекультивации отвалов, выведенных из эксплуатации...................................138

4.5 Оптимизация технологических параметров технологических объектов горного производства с позиции экологической безопасности на примере модельного отвала ОАО «Ураласбест».............................................................141

5. Применение метода «интегрального показателя экологической опасности» для оценки экологической безопасности других горных предприятий и выявления их приоритетных экологических задач..................156

5.1 Пример расчета уровня экологической безопасности горного производства для условий ОАО «Качканарский ГОК «Ванадий».....................156

5.1.1 Краткая геологическая характеристика минерально-сырьевой базы ОАО «Качканарский ГОК «Ванадий».........................................................................156

5.1.2 Выявление приоритетных экологических задач предприятия ОАО «Качканарский ГОК «Ванадий».........................................................................162

5.2 Пример расчета уровня экологической безопасности горного производства для условий ОАО «Высокогорский ГОК»......................................169

5.2.1 Краткая геологическая характеристика минерально-сырьевой базы ОАО «Высокогорский ГОК», Лебяженской промплощадки....................................169

5.2.2 Выявление приоритетных экологических задач предприятия ОАО «Высокогорский ГОК» Лебяженской промплощадки.....................................178

5.3 Ранжирование горных предприятий по уровню экологической

опасности (на примере ОАО «Ураласбест», ОАО «КГОК», ОАО «ВГОК»).....182

Заключение.....................................................................................................................184

Список использованной литературы........................................................................186

Введение

Обостряющиеся экологические проблемы, приобретающие глобальный характер, приводят к тому, что во всем мире все больше внимания стало уделяться вопросам экологии, и, в частности, вопросам геоэкологии. Решение экологических проблем невозможно без изучения внешней оболочки Земли, литосферы. Литосфера является материальной литогенной основой биосферы -сферы живого вещества. На ней формируются почвы, ландшафты, растительные и животные сообщества. В настоящее время литосфера все больше изменяется в процессе человеческой деятельности, включается в техносферу (часть биосферы, затронутой техногенезом). Вследствие этого возникла необходимость рассмотреть в неразрывной связи экологические характеристики литосферы и их современное состояние с экологическим состоянием биот и условиями развития человеческого общества. Наиболее сильное воздействие на литосферу оказывает деятельность человека, связанная с пользованием недрами, которые представляют собой ограниченные и невозобновимые ресурсы.

По мере развития цивилизации, с ростом народонаселения и научно-техническим прогрессом, неуклонно нарастает пользование недрами -недропользование, под которым нами понимается использование вещества, энергии, а также пространства недр для удовлетворения потребностей общества. Основным видом недропользования является добыча (извлечение из недр) и первичная переработка (дробление, сортировка и обогащение минерального сырья) горно-обогатительными предприятиями.

По сравнению с воздействием на окружающую природную среду

различными промышленными комплексами горные предприятия оказывают

наиболее сильное и разностороннее воздействие на все элементы биосферы:

литосферу, гидросферу и атмосферу, фито- и зооценозы, а также

искусственную сферу обитания человека (социосферу). Именно поэтому,

вопросы геоэкологии в общем, и вопросы экологического обеспечения

горнодобывающей промышленности в частности, в настоящее время

становятся все более и более актуальными. Важно заметить, что вопросы экологического обеспечения горнодобывающего производства тесно связаны с вопросами геологии. Ведь при оценке интенсивности воздействия горного производства особенно важно учесть геологические факторы, в частности вид полезного ископаемого. Данный фактор определяет основные загрязняющие вещества, попадающие в биосферу, способ обогащения и реагенты, используемые в данном процессе, способ разработки.

В то же время, несмотря на обилие научных исследований, разработок, инструктивно-методических и нормативно-правовых документов,

экологические проблемы горного производства исследованы и описаны недостаточно, а для отдельных видов работ изучены слабо.

Под экологическим обеспечением горного производства понимается создание системы научно-обоснованных организационно-технических мер по минимизации негативных воздействий на окружающую среду при рациональном, экологически эффективном использовании недр на основе новых прогрессивных технологий и совершенствования нормативно-правовых отношений.

В современных условиях усиления техногенного воздействия на природу и истощения минеральных ресурсов рациональное, экологически безопасное и экономически эффективное пользование недрами приобретает все большее значение.

Задачи исследования:

Объектами исследования являются горные предприятия и их

воздействие на элементы геосферы: атмосферу, литосферу, гидросферу,

биосферу, а также социосферу. В качестве объектов исследования выбраны

наиболее крупные предприятия минерально-сырьевого комплекса Среднего

Урала, осуществляющие разработку месторождений различных видов

минерального сырья: Баженовского месторождения хризотил-асбеста,

Гусевогорского месторождения титаномагнетитовых руд и Лебяжинского

месторождения скарново-магнетитовых руд.

Предметом исследования является изменение уровня экологической

безопасности горных предприятий в зависимости от совокупности

геоэкологических, инженерно-технических, природных и региональных

факторов.

Фактический материал.

Информационной основой диссертационной работы являются результаты

научной и практической деятельности кафедры инженерной экологии

Уральского государственного горного университета в период с 2003 по 2013 гг.

Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках

ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на

2009-2013 гг. при выполнении работы «Создание системы рационального,

экологически безопасного и экономически эффективного пользования недрами

при добыче и переработке минерального сырья в современных условиях»

(Госконтракт Шифр 2010-1. 2. 1 - 101 - 006) под руководством доктора технических наук А.В. Хохрякова и включали аналитический, подготовительный, технологический, камеральный и заключительный этапы. За период 2010-2013 гг. с участием автора написано 4 научно-производственных отчета.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработан новый подход к оценке экологической безопасности горного производства, основанный на применении интегрального показателя экологической опасности, который позволяет определять приоритетные экологические задачи горного предприятия, ранжировать их по степени экологической опасности, определять первоочередные мероприятия, реализация которых позволяет оптимизировать негативное воздействие горного предприятия на окружающую среду.

• Предложен унифицированный критерий оценки экологической безопасности горных предприятий.

Апробация результатов исследования

Информация о работе

Цейтлин, Евгений Михайлович
кандидата геолого-минералогических наук
Екатеринбург, 2013
ВАК 25.00.36

Диссертация

Исследование, оценка и оптимизация уровня экологической безопасности окружающей среды в условиях горного производства - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы