DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 15.09.2007

Материалы

загрузка...

Обоснование способов использования отходов камнепиления известняков - ракушечников для рекультивации нарушенных земель

Муталибова Гавахират Кадировна, 15.09.2007

 

Приведены объемы образования отходов и площади нарушенных земель при разработке месторождений Дагестанских известняков-ракушечников. На данный момент отсутствует комплексный подход при рекультивации выработанных карьеров, отвалов и прилегающих территорий или происходит полный отказ от ее выполнения. Рекультивацией этих нарушенных земель занимаются не своевременно и не на должном уровне. Основным направлением рекультивации выработанного пространства карьеров является в лучшем случае обратная их засыпка отходами камнепиления и породами вскрыши и по возможности частичная их раздача под индивидуальное жилищное строительство.

Даны основные требования к рекультивации нарушенных земель по направлениям их целевого использования. Рассмотрены возможные направления использования выработанных карьеров и рекультивации выемок, отвалов и прилегающих территорий. Рекультивированные территории могут быть использованы в следующих направлениях: сельскохозяйственное, лесохозяйственное, водохозяйственное, рекреационное, природоохранное, санитарно - гигиеническое и строительное. Нарушенные при разработке месторождений известняков-ракушечников земли после рекультивации могут быть использованы для выращивания овощей, ягод, под пашни, сенокосы, лесопосадки, а также и для других целей, например под спортивные и игровые площадки, парки, кемпинги, строительство.

Разработка месторождений известняков-ракушечников открытым способом приводит к нарушению земель и выводу из использования больших территорий, поэтому рекультивация отработанных карьеров и рациональное использование отходов камнепиления имеют важное народнохозяйственное и природоохранное значение.

Вторая глава диссертационной работы посвящена проблеме загрязнения окружающей среды в результате добычи известняков-ракушечников и возможности снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. Сделан анализ состояния экосистем с применением ландшафтного подхода для оценки изменчивости компонентов природной среды в результате добычи известняков-ракушечников.

Изучению воздействия антропогенной деятельности на компоненты природной среды посвящены работы отечественных и зарубежных авторов, среди которых особое место занимают исследования Айдарова И.П., Белоцерковского М.Ю., Беспамятного Г.П., Воронкова Н.А., Глазовской М.А., Голованова А.И., Гольдберга В.М., Израэля Ю.А., Манукьяна Д.А., Эдельштейна К.К. и ряд других работ, в которых рассматриваются вопросы снижения негативного воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду.

Для оценки состояния экосистем представлен обзор ландшафтных и геологических условий территории Дагестана. Основное значение здесь уделяется анализу геологических условий, специфике ландшафтов, почв, растительности. Изучено геологическое строение и рельеф территории. Климат Дагестана, несмотря на разнообразие, в целом можно отнести к умеренно теплому, в горах - умеренно холодный, с более или менее выраженной континентальностью, которая проявляется в значительных годовых амплитудах температуры на низменностях, в горах – в резких суточных колебаниях, а также в недостаточном увлажнении.

Основными реками Дагестана являются: Сулак, Самур, Терек, Уллучай, Чирагчай, Рубас, берущие начало в горных районах и впадающие в Каспийское море.

Для обоснования пригодности отходов камнепиления карбонатных пористых горных пород для улучшения свойств почв приведены генетические и агроэкологические характеристики почв Дагестана. Почвенный покров территории исследований обстоятельно изучен отечественными почвоведами и подробно освещен в диссертации. При генетической и агроэкологической характеристике почв использовались фактические данные, содержащиеся в научной, почвенно–географической литературе (Зонн, 1940; Акимцев, 1947; Керимханов, 1965; Карманов, 1971; Баламирзоев, Истомина, 1975; Залибеков, 1995; Аджиев А.М., и др.)

Анализ почвенного покрова территории Дагестана показывает, что горно-луговые, горно-луговые дерновые и горные лугово-лесные почвы (Горная и Высокогорная провинция) имеют, кислую реакцию среды. А значит, при соответствующем эколого-экономическом обосновании отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть использованы в качестве известковых мелиорантов для повышения продуктивности и экологической безопасности этих почв.

Для оценки степени антропогенного воздействия камнедобычи пористых горных пород на геосистемы рассмотрено влияние открытых разработок известняков-ракушечников на компоненты окружающей среды. Разработка месторождений известняков-ракушечников представляет собой область трудовой деятельности людей с исключительно высокой степенью экологической ответственности. Это обстоятельство обусловлено, прежде всего, тем, что строительные процессы вступают в непосредственный контакт со всеми компонентами природы, активно формируя в сравнительно короткие промежутки времени антропогенные ландшафты. Для оценки техногенного воздействия на геосистему, за которыми наступают необратимые или нежелательные ее изменения, необходимо в каждом конкретном случае определять устойчивость геосистемы к техногенным нагрузкам.

Изменения компонентов окружающей среды при разработке месторождений известняков-ракушечников начинаются с уничтожения почвенного и растительного покровов на больших площадях, то есть меняется литогенная основа ландшафта и связанные с ним направления и скорости протекания биохимических процессов, происходит оскудение видового состава фауны и

Камнедобыча пористых горных пород открытым способом приводит к образованию техногенных механических трансформаций вызывающих наиболее глубокую деградацию почвенного профиля, вплоть до полного его уничтожения, создавая нарушенные ландшафты. Они заключаются в частичном или полном срезании почвенного профиля, его перемешивании на месте, а также погребении почв минеральным материалом. При разработке известняков-ракушечников почвенный и растительный покровы на значительных площадях оказываются погребенными под отходами камнепиления. Этот материал имеет естественное происхождение и состоит из нейтральных, не токсичных веществ.

На рис.1 приведена схема возможного воздействия открытых разработок на компоненты природной среды.

Рис.1. Схема изменения компонентов окружающей среды в результате камнедобычи известняков-ракушечников.

Кроме того, отвалы пород вскрыши и отходов камнепиления обуславливают ухудшение качества грунтовых и поверхностных вод в результате смыва или выветривания загрязняющих веществ и пыли с их поверхности, меняются скорости и направления воздушных потоков, ослабевает регенерационный потенциал ландшафта, происходит изменение пейзажа. По существу здесь имеет место не, сколько деградация почв, а замена их техногенными поверхностными образованиями, для которых актуальной проблемой становится их рекультивация.

Поэтому, исходя из существа проблемы и в соответствии с рисунком 1. при оценке влияния открытых разработок на окружающую среду в качестве изучаемой системы могут быть рассмотрены 3 блока, связанных между собой потоками вещества и энергии: 1- почва, растения и животные; 2- приземный слой атмосферы, климат; 3- грунтовые и поверхностные воды. Эта система описывается балансовыми уравнениями, отражающими законы сохранения вещества и энергии и в качестве критериев можно использовать изменение гидротермического коэффициента (радиационного индекса сухости), затрат солнечной энергии на почвообразование, объемов поверхностного и подземного стока, баланса химических веществ.

Открытые разработки месторождений известняков-ракушечников могут привести к необратимым изменениям в физических, химических, биологических свойствах почв (радиационного индекса сухости, затрат солнечной энергии на почвообразование, объемов поверхностного и подземного стока, баланса химического вещества), что приводит к деградации почвенного покрова. Различия, формирующиеся в свойствах почв, сопровождаются экологическими последствиями, изменяя химический состав продукции возделываемых культур и величины функционирующих площадей

Рассмотрим изменения компонентов природной среды при камнедобыче известняков – ракушечников открытым способом на примере карьера расположенного в Дербентском районе. Карьер глубиной 45 м. расположен в пригороде Дербента. Почвенный покров данного района представлен светло - каштановыми почвами мощностью 30….40 см. Уровень грунтовых вод расположен на глубине 2,5м. Площадь карьерной выемки составляет 10 га и отвалами отходов и пород вскрыши занято еще 15 га, итого, выведенными из хозяйственного оборота оказываются земли на площади более 25 га. То есть природный ландшафт заменяется природно-техногенным, среднекарьерно-отвалным ландшафтом.

Вскрыша состоит из плодородного слоя мощностью около 40 см, под ним залегают почвообразующие породы глинистого или тяжело–среднесуглинистого и супесчаного механического состава мощностью 60…70 см, на глубине еще 80..100 см прослеживается рыхлая толща породы с выделением гипса и легкорастворимых солей переходящая в низкопрочные известняки – ракушечники. Толщина слоя вскрыши составляет 3…. 3,5 м.

Исследование гидрогеологических условий показывает, что разработка месторождения приводит к изменению уровня грунтовых вод. Уровень грунтовых вод на близлежащей территории понижается, вода собирается на дне карьера, образуя обводненную карьерную выемку с высотой слоя воды на дне около 2,5…..3м. Предполагаемый размер депрессионной воронки и осушаемой территории составляет порядка 100…150 га, так как размер депрессионной воронки может в 10 раз превышать размеры самих выемок. При разработке данного месторождения, в зоне влияния водопонижения не происходит изменение влажности почвенного покрова, так как влажность почвы в данном районе не связана с уровнем грунтовых вод, и грунтовые воды практически не оказывают влияния на ход почвообразовательного процесса.

Еще одним негативным фактором влияния разработки известняков – ракушечников на окружающую среду является загрязнение атмосферного воздуха. Так как отходы камнепиления представляют собой отвалы в виде бута и мелкого песка, с высоким содержанием пылевидной фракции происходит загрязнение атмосферного воздуха известковой пылью. Процесс пылеобразования происходит также и при выполнении дробильно-сортировочных, погрузочно-разгрузочных и транспортных процессов. При выполнении этих процессов пылеобразование зависит от скорости перемещения при постоянной скорости ветра, высоты погрузки-разгрузки и дисперсного состава мелких частиц породы.

Экологическое обоснование размещения новых разработок известняков-ракушечников и оценка влияния существующих на атмосферу целесообразно выполнять исходя из фактора рассеивания в атмосферном воздухе и оседания загрязняющих веществ. Доминирующими факторами при выборе участка для размещения дробильно-сортировочного оборудования или при оценке влияния разработок на атмосферу являются величины суммарного ПДВ (предельно допустимые выбросы) загрязняющих веществ от всех источников и размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ). Размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ) l0 (м), установленные в Санитарных нормах проектирования промышленных предприятий, должны проверяться расчетом загрязнения атмосферы в соответствии с требованиями ОНД – 86 “Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ содержащихся в выбросах предприятий” (Госкомгидромета.), с учетом перспективы развития предприятия и фактического загрязнения атмосферного воздуха.

Расчет размеров СЗЗ (L) для рассматриваемой карьерной разработки при восьмирумбовой розе ветров вычисляется по формуле: L = d Н Рi (5–F)/50; где d–коэффициент, зависящий от f, vм; Рi - среднегодовая повторяемость ветра в i–м направлении, %. В расчетах принято: ПДК = 0,15 мг/м3, фоновая концентрация в зоне расположения разработки равна Сф = 0, коэффициент, учитывающий рельеф местности ? = 1, А = 200, F=1, величина ПДВ = 10,47 мг/м3. Зона максимального загрязнения окружающей среды с повышенным содержанием в воздухе пыли составляет СЗЗ (L) = 1718м, для северо-западного ветра СЗ со среднегодовой повторяемостью 79 %, при высоте Н =10м. Учитывая негативное воздействие пыли на почвенный покров, рост и развитие растений и расположение карьера с учетом розы ветров, можно говорить и о снижении продуктивности близлежащих плодородных

При разработке месторождений известняков-ракушечников, особую актуальность приобретает задача снижения антропогенного воздействия на природный ландшафт и обеспечения необходимых предпосылок по сохранению экологического баланса в районе месторождения.

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в целях повышения продуктивности и экологической безопасности сельскохозяйственных земель.

Наличие на территории Дагестана кислых и загрязненных тяжелыми металлами земель позволяет также судить и о возможности использования известкового материала получаемого при камнедобыче известняков – ракушечников для улучшения свойств этих почв.

Отходы камнепиления известняков-ракушечников, особенно тонкие фракции, могут быть использованы в качестве мелиоранта без дополнительной переработки для проведения химических мелиораций почв – для регулирования кислотности и подвижности тяжелых металлов в почвах. По химическому составу отходы камнепиления пористых известняков - ракушечников Дагестанских карьеров в основном состоят из карбоната кальция и магния, содержание которых колеблется: СаСО3 от 73 до 94 %, Мg СО3 – 0,4 ….12 %. Они являются практически чистыми карбонатами кальция и магния и не содержат в своем составе токсичных веществ, что предопределяет возможность их использования в качестве известкового материала. Известковая мука, получаемая при переработке отходов камнепиления известняков-ракушечников, относится к первой группе по экологическим ограничениям на использование известковых материалов, материалы, применение которых разрешено без ограничений.

Имеющиеся запасы этого материала позволяют судить о возможности их промышленного использования для улучшения свойств почв. Только при разработке известняков - ракушечников в одном Дербентском районе может быть получено порядка 250000 м3 известкового материала. Известковый материал может быть получен отсевом пылевидной фракции как из отходов камнепиления известняков – ракушечников так и из продуктов их переработки в заполнители для бетонов.

Почвы Республики Дагестан по кислотности характеризуются как кислые, нейтральные и слабощелочные, поэтому изменение кислотности в результате внесения в почву тонких продуктов камнепиления не только улучшит ее плодородие, но и обеспечит хорошее качество продукции растениеводство за счет снижения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве.

Площадь территории, на которой необходимо провести известкование равняется 1,5 млн. га, что составляет свыше 30 % от общей площади республики. Физическая доза данного известнякового материала с учетом его влажности и крупности помола составляет Дф = 15,06 тонн/га. Для известкования всех почв имеющих кислую реакцию, необходимо До = 22,59 миллион тонн данного известкового материала.

Как известно важным фактором, оказывающим влияние на соотношение подвижных и неподвижных форм металлов в почве, является кислотно-щелочные условия почвы.

Bмические и агрохимические свойства, биологическую, зоологическую (участие крупных животных) и микробиологическую активность, сезонность и повторяемости лет по климату и др.

Ввиду малой концентрации тяжелых металлов в почвенных растворах и большой емкости поглощения почвы А.И. Голованов рекомендует использовать линейное уравнение изотермы сорбции Генри:

где C0 - равновесная концентрация металла в почвенном растворе; ( - объемная влажность почвы; S0 - равновесное, соответствующее C0, количество металла, сорбированное почвой; Г - безразмерная константа Генри; ( = 1/Г - коэффициент изотермы сорбции. Кинетика сорбции описывается уравнением (2).

Параметром, определяющим поведение тяжелых металлов в почве, является достоверное знание коэффициента изотермы сорбции (, т.к. по сути дела этот коэффициент объединяет все описанные выше процессы, формирующие соотношение между подвижной и связанной фракциями иона конкретного металла. Содержание этого иона в единице объема почвы в равновесном состоянии равно Z=(C+S или Z=(1+1/()(C. Коэффициент подвижности иона, т.е. отношение массы ионов в растворе к общему его содержанию в почве R=(C/Z=(/(1+(). Зная это соотношение в результате лабораторных анализов почв, можно приближенно оценить значение эффективного коэффициента изотермы сорбции:

Изучение поведения тяжелых металлов в почве с помощью математической модели Голованова А.И. проводилось для кадмия и свинца, характеризующиеся как вещества первого класса опасности.

Для оценки влияния кислотности на подвижность указанных металлов, также как и Голованов А.И., использовались результаты опубликованных исследований (Айдаров И.П., Глазовская И.Г., Ильин В.Б., Ладонин Д.В.,) и данные, полученные в ходе проведения инженерно-экологических изысканий почв и грунтов при строительстве Лефортовских тоннелей и Братеевской набережной. После обобщения и статистической обработки данных были построены зависимости изменения коэффициента подвижности металлов от кислотности почвы, которые представлены на рис.2. и рис.3.

Согласно представленных графиков наибольшее поглощение почвой кадмия наблюдается при рН = 6.5 – 10.0, а свинца – рН = 6,0 – 9,5, поведение этих металлов в щелочной среде нами не выявлено из-за отсутствия данных. Однако даже представленные результаты позволяют сказать, что в указанных диапазонах кислотности свинец менее подвижен, чем кадмий, при чем коэффициент подвижности кадмия составляет около 0.08, а свинца около

Для расчета коэффициента сорбции ( по зависимости (2.) были использованы данные связи коэффициента подвижности с кислотно-щелочными условиями почвы (рис.2. и рис. 3.). В результате выполненных расчетов на рис. 4. и рис. 5. представлены зависимости коэффициента сорбци от коэффициента подвижности тяжелых металлов в почве.

Анализ представленных графиков показывает, что они имеют схожую зависимость, т.е. коэффициент сорбции в пределах изменения коэффициента подвижности от значений близких к нулю до 0.5 не зависит от вида конкретного металла. Представленные на рисунках 4. и 5. зависимости имеют большое значение при прогнозировании изменения содержания тяжелых металлов в почве на сельскохозяйственных и приусадебных землях. Зная исходные кислотно-щелочные условия и валовое содержание тяжелых металлов в почве (наиболее часто проводимое определение), можно, изменяя в ретроспективе кислотность почвы, получить характер передвижения подвижных форм в системе почва – растения и оценить качество получаемой продукции.