Черная и цветная металлургия - одна из наиболее загрязняющих окружающую среду отраслей промышленности. Основными твердыми отходами при выплавке стали и чугуна являются шлаки и шламы. На 1 т готовой продукции образуются 500-1000 кг шлаков и 80-120 кг шламмов (Дончева, Покровский, 1999; Ратанова, 1999). В цветной металлургии для получения 1 т металла необходимо переработать 100-200 т руды. В них в заметных количествах содержится до 30 токсичных веществ: сера, мышьяк, сурьма, селен и др. Рассмотрим возможность использования геохимических барьеров для безопасного размещения шламов газоочистки на площадке Пашийского цементно-металлургического завода.

Одним из объектов, где остро стоит проблема безопасного хранения отходов, является Пашийский цементно- металлургический завод, расположенный на территории Пермского края. Многолетнее складирование отходов газоочистки в необорудованном шламохранилище привело к загрязнению подземных вод и р. Пашийки. При строительстве нового шламохранилища возникла необходимость разработки надежных мероприятий для защиты подземных и поверхностных вод.
Особенностью выплавки титанистых чугунов на этом заводе является использование бокситов и замасленной металлической стружки. Технология сбора отходов газоочистки предусматривает улавливание грубых частиц на колошниках. Мелкая пыль поступает далее в систему трубопроводов, где происходит гидравлическая очистка газов. Вода с частицами пыли поступает в емкости-отстойники, находящиеся на территории завода. В емкости пульпа осветляется и вода используется многократно до тех пор, пока не происходит накопления твердого материала и повторное использование осветленной воды становится невозможным. В процессе многократной перекачки воды и неоднократного контакта раствора с новыми порциями высокодисперсной и химически активной пыли концентрации водорастворимых веществ в жидкой фазе, в том числе вредных, увеличиваются и достигают высоких значений к концу цикла. Содержание твердой фазы составляет около 5-10 %.
В твердой фазе с помощью рентгеноструктурного анализа обнаружено большое количество соединений, среди которых преобладает NaHSO₄·H₂O. Определены также CaAl₃(PO₄)₂(OH)₅·H₂O, CaFe₂O₄, KFe(SO₄)₂, CaAl₃(PO₄)₂(OH)₅·H₂O и M(CO₃)·OH, CaSO₄·2H₂O. В небольших количествах присутствуют кварц, диаспор и кальцит.
Жидкая фаза пульпы имеет высокую минерализацию – 34-42 г/л, щелочную реакцию (рН-8,9-9,4) и высокое содержание HCO до 18,1 г/л и CO до 5,1 г/л ионы, а также Cl^- до 7,8 г/л. Отмечается низкое содержание ионов кальция и магния при значительном содержании ионов натрия и калия (до 13,4 г/л) (табл. 6.1).

Таблица 6.1 Макрокомпонентный состав жидкой фазы пульпы, в мг/л

В наиболее концентрированной пульпе обнаружено превышение ПДК (ГН 2.1.5.689—98) по 15 микрокомпонентам. Наиболее значительные превышения нормативов имеют бериллий, цинк, свинец, селен, кадмий, мышьяк, литий, медь (табл. 6.2). В составе пульпы возможны значительные вариации в концентрации элементов, достигающие 2-3 порядков, зависящие от состава исходного сырья, времени накопления в процессе оборота вод и других технологических особенностей производства. Для оценки общего содержания органического вещества в стоках определено значение ХПК, которое составило 820-960 мг О2/л, что указывает на присутствие большого количества органического вещества. Качественно определяли предельные углеводороды высоких фракций, ароматические углеводороды и их оксипроизводные (полифенолы). Их образование обусловлено, в том числе, использованием замасленной металлической стружки. Известно, что растворенные органические вещества при щелочной реакции среды могут образовывать устойчивые комплексы с тяжелыми металлами.

Таблица 6.2 Микрокомпоненты жидкой фазы пульпы, превышающие ПДК, в мг/л

Характеристика участка размещения отходов. Пульпа из заводской емкости-накопителя вывозится в шламохранилище, расположенное в приводораздельной части рек Вижая и Пашийки (бассейн р. Чусовой). Распространение загрязнения во многом обусловлено особенностями геолого- гидрогеологических условий участка.
Схематический геологический разрез участка приведен на рис. 6.1. Коренные породы представлены верхнедевонскими трещиноватыми закарстованными известняками с неровной поверхностью кровли, мощностью более 100 м. Они перекрыты толщей делювиальных, аллювиальных неоген-четвертичных отложений, представленных глиной и суглинками со щебнем, галькой и валунами, мощностью 20-30 м.
Рассматриваемая территория относится к Чусовскому району карбонатного карста (Горбунова К.А. и др., 1992). Карстопроявления здесь приурочены к эрозионным формам, зонам тектонических нарушений, контактам карбонатных и некарстующихся пород. Для района характерны исчезающие реки и суходолы, воронки, родники и пещеры.

Рис. 6.1. Загрязнение подземных и поверхностных вод в районе шламонакопителя

Основной водоносный горизонт приурочен к трещиноватым и закарстованным известнякам верхнего девона. Наиболее проницаемая зона находится в верхней части толщи (до 40-60 м), ниже трещиноватость и закарстованность быстро затухают и водопроницаемость пород невелика. Разгрузка подземных вод происходит в р. Пашийку через аллювиальные отложения и в виде родников.
Складирование отходов осуществляется в отработанные алмазные карьеры. Дно старого карьера представляет собой вскрытую кровлю коренных трещиноватых известняков (плотик), частично перекрытую глинистыми отложениями мощностью до 2 м. Местами известняки выходят на поверхность днища. Вдоль западного борта карьера проходит тектонический разрыв, что привело к повышенной трещиноватости и водопроницаемости известняков на этом участке. Все это обусловливает плохую защищенность трещинно-карстовых вод от загрязнения с поверхности на участке складирования отходов.
Влияние шламохранилища на окружающую среду. Инфильтрация жидкой составляющей пульпы в коренные породы привела к загрязнению горизонта трещинно-карстовых вод. Влияние шламохранилища исследовалось в зоне разгрузки трещинно-карстовых вод в р. Пашийку (рис. 6.1). Гидрохимическое опробование было проведено в четырех наблюдательных скважинах и двух родниках, выходящих из известняков. В качестве фона был принят состав воды родника вне зоны влияния шламохранилища.
Подземные воды в зоне влияния шламохранилища имеют повышенную по сравнению с фоновой минерализацию – 0,6-1,0 г/л, содержания хлоридов в 90 раз и сульфатов в 3 раз выше фона (табл. 6.3).
В микрокомпонентном составе подземных вод обнаружены повышенные по сравнению с фоновыми содержания титана - 1,0-1,7 мг/л, марганца - 0,2-0,3 мг/л, меди - 0,2 мг/л, цинка - 0,5-0,7 мг/л, стронция - 2,9-3,4 мг/л. Содержание титана в 10-17 раз, а марганца - в 2-3 раза превышают ПДК. Содержание органических соединений в загрязненных подземных водах, рассчитанное по ХПК, составляет 50-59 О2/л, что в 2 раза выше ПДК и в 5 раз выше фона.

Таблица 6.3 Состав подземных вод в районе шламохранилища, в мг/л

Содержание большинства микрокомпонентов в р. Пашийка на участке разгрузки загрязненных подземных вод увеличивается по сравнению с фоновым. Однако только концентрация титана в 1,3 превышает ПДК. ХПК на участке разгрузки увеличивается по сравнению с фоновым более чем в 2 раза и составляет 17,5 мг О2/л, что незначительно превышает ПДК. Содержание органических соединений достигает 13 мг/л.