Разработка мелиоранта из фосфатно-магниевых отходов для рекультивации почв, загрязняемых кислотными осадками и тяжелыми металлами (стр. 1 )

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕЛИОРАНТА ИЗ ФОСФАТНО-МАГНИЕВЫХ

ОТХОДОВ ДЛЯ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЯЕМЫХ

КИСЛОТНЫМИ ОСАДКАМИ И ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель (технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва– 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» и ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре «Водохозяйственное и ландшафтное строительство»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет»

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

член-корреспондент РАСХН

заведующий лабораторией ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт агрохимии им. »

доктор химических наук, профессор

Ларюшкин-

профессор кафедры ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет природообустройства»

доктор технических наук, профессор

заведующий кафедрой ФГБОУ ВПО «Московский государственный

строительный университет»

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им » (»)

Защита состоится 23 октября 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» Москва, , учебный корпус № 1, ауд. 201

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО

«Московский государственный университет природообустройства»

.

Автореферат разослан ___ сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В условиях техногенного загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами почвы нуждаются в снижении активности этих тяжелых металлов в почвенном слое в доступной для растений форме и в оптимизации питательного режима путем компенсации утрачиваемых кальция, магния, марганца и других микроэлементов, что достигается их внесением в почву в виде удобрений и мелиорантов, а также регулированием кислотности почв. Водорастворимые удобрения оказывают благоприятное воздействие на растительность, но они быстро вымываются из почвы, поэтому их использование не всегда оправдано. При известковании почвы поступление тяжелых металлов в растения уменьшается, так как образуются гидроксиды, карбонаты и фосфаты присутствующих в почве тяжелых металлов. Однако при известковании резко снижается кислотность почв, что приводит к полной перестройке микробиоты в почвах с естественным растительным покровом, к которым относятся урбанизированные почвы городских территорий и почвы, расположенные около промышленных предприятий, загрязняемые тяжелыми металлами и кислотными осадками. Эти факторы вызывают развитие несвойственной для наших природных условий растительного покрова со слабой устойчивостью. Необходимы такие мелиоранты, которые могли бы компенсировать недостаток элементов питания, но не приводили к существенной смене почвенного покрова.

С другой стороны социально-экономическое развитие Европейского Севера России будет определяться освоением новых минерально-сырьевых ресурсов, что увеличит вредную техногенную нагрузку на природу, в том числе на земельные площади. Реализация стратегии социально- экономического развития России до 2020 года, обеспечения экономической безопасности страны связана с необходимостью существенного повышения эффективности отечественного производства, конкурентоспособности продукции. Поэтому на изучение и решение вопросов сохранения необходимой для нормальной жизнедеятельности природной среды необходимо проведение исследовательских работ по снижению нарастающей вредной техногенной нагрузки на природу. На стадии добычи сырья некондиционное сырье отправляется в хвостохранилища, которые занимают значительные земельные площади, вызывая техногенные загрязнения.

Эффективная политика технического развития и перевооружения возможна путем реализации снижения затрат предприятий, включая переработку техногенных отходов, повышения конкурентоспособности продукции и увеличения производительности труда путем повышения результативности производства. Имеющиеся во вторичных отвальных хвостах обогащения апатитомагнетитовых руд Ковдорского месторождения фосфор и магний (до 4% P2O5 и до 27% MgO) до настоящего времени не используется, мелкодисперсные техногенные отходы складируются в хвостохранилище (балансовые запасы на 2005 г. оцениваются в 31,6 млн. тонн и продолжают расти). Другим техногенным отходом в производстве элементарного фосфора является мелочь фосфоритов крупностью менее 10 мм, которая складировалась более 40 лет недалеко от фосфорного завода в Самарской обл. (балансовые запасы оцениваются в 640 тыс. тонн). Основной продукт Ковдорского ГОКа (апатитовый концентрат) поступает в вагонах на химические предприятия для производства кормовых фосфатов, поэтому транспортировка этим же транспортом мелочи фосфоритов в обратном направлении не будет вызывать дополнительных трудностей.

Вместо отходов Ковдорского месторождения и отходов фосфатного сырья для производства фосфора, рассмотренных в представляемой работе, полученные результаты можно использовать и для получения нового мелиоранта из любых месторождений фосфатного сырья с низким содержанием P2O5 до 17% и повышенным содержанием магния, которые не удовлетворяют требованиям для переработки кислотными методами в экстракционную фосфорную кислоту или для термического получения фосфора.

В настоящее время актуальным является поиск дешевых мелиорантов. Нужна такая система удобрений и мелиорантов, которая мягко компенсирует недостаток элементов питания почвы. Имеющиеся в составе отходов фосфатного сырья Ca и Mg, в основном в виде силикатов и гидросиликатов и P2O5, после термической обработки можно перевести в доступную для растений форму, что позволит использовать их для снижения кислотности почв и уменьшения содержания тяжелых металлов в доступной для растений форме, а присутствующий фосфор позволяет использовать полученный продукт как фосфорное удобрение. По своим свойствам эти отходы, после соответствующей термической переработки должны улучшать земли с неблагоприятными химическими и физическими свойствами. Химическая мелиорация почв с их помощью сможет улучшить их свойства и повысить урожайность сельскохозяйственных культур.

Для решения этой проблемы необходимо провести комплексное исследование научных и технических проблем с применением вычислительного эксперимента, рассмотреть влияние физико-химических превращений, происходящих с отходами в ходе переработки, их структуру и свойства методами физической химии. Провести апробацию полученного мелиоранта в почвенном слое.

Необходимость выработки рекомендаций по снижению техногенной нагрузки на природную среду при более полном освоении минеральных ресурсов региона определяют научно-практическую значимость и актуальность исследований. Получение химического мелиоранта из техногенных отходов фосфатного сырья, химическая мелиорация которого позволяет блокировать поступление в растения тяжелых металлов, переводя их в недоступную для растений форму, одновременно обогащая почву фосфором. Мелиорант из отходов в кислых почвах увеличивает содержание магния и фосфора, уменьшает содержание водорода и алюминия, в солонцах - натрия.

Исследование влияния нового мелиоранта из техногенных отходов фосфатно-магниевого сырья на свойства почв, позволяющего химической мелиорацией улучшать плодородие почв и уменьшать содержание тяжелых металлов в доступной для растений форме, решаемые в диссертации являются актуальными.

Цель и задачи работы. В представленной работе преследуется следующая цель – разработка нового мелиоранта из отходов фосфатно-магниевого сырья и исследование его влияния на свойства почв, в том числе почв, загрязненных тяжелыми металлами.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- обоснование приемов и методов утилизации отвалов выработанных месторождений;

- разработка методов переработки вторичных отходов обогащения апатито-магнетитовых руд на основе рационального комплекса технологических процессов переработки в целях получения качественно новых материалов, позволяющих снизить техногенную нагрузку на окружающую среду и обеспечить рациональное использование вторичных материальных ресурсов;

- установление закономерностей, необходимых для разработки рекомендаций по технологическому процессу, обеспечивающих оптимальные параметры процесса и способствующих снижению себестоимости.

- разработка рациональных технологических методов, обеспечивающих эффективное использование вторичного сырья;

- выявление физико-химических и механических основ переработки вторичных отходов;

- осуществление промышленной апробации и реализации разработанных технологических методов и оценка их экологической и экономической эффективности;

- изучение особенности изменения кислотности и содержания в почвенном слое тяжелых металлов в доступной для растений форме от внесения полученного нового мелиоранта из техногенных отходов фосфатно-магниевого сырья.

Областью исследования являются:

- исследование технологий переработки отходов, содержащих фосфор и магний;

- создание нового мелиоранта для восстановления деградированного почвенного покрова с кислотной реакцией и при загрязнении тяжелыми металлами;

- исследование методов и способов мелиорации земель, их влияния на свойства компонентов природы мелиорантом из отходов фосфатного и магниевого сырья.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Предложены и сформулированы новые представления и подходы к решению проблемы безопасной утилизации и рационального комплексного

использования вторичных отходов, содержащих фосфор и магний, для получения конкурентоспособного мелиоранта. Произведено экспериментальное обоснование новых методов безопасной утилизации и переработки этих отходов.

2. Выявлены основные факторы рецептурного характера и условия проведения технологического процесса получения нового мелиоранта.

3. Термодинамическими расчетами доказаны возможные схемы химических реакций в материалах, полученных из вторичных техногенных отходов, содержащих фосфор и магний.

4. Установлены закономерности перехода оксида магния в лимонно-растворимую форму от модуля кислотности шихты.

5. Установлены свойства полученного нового мелиоранта уменьшать в почвенном слое содержание тяжелых металлов в доступной для растений форме.

6. Предложен метод оценки состояния и управления природно - техническими системами при разработке техногенных месторождений, содержащих фосфор и магний.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод утилизации и переработки вторичных техногенных отходов, содержащих фосфор и магний, для получения нового мелиоранта.

2. Метод получения нового мелиоранта из вторичных техногенных отходов фосфатно-магниевого сырья.

3. Метод повышения лимонно-растворимых компонентов в новом мелиоранте для химической мелиорации почв с целью улучшения их свойств.

4. Метод оценки состояния и управления природно-техническими системами при разработке техногенных месторождений, содержащих фосфор и магний.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена: результатами обобщения и анализа представленного объема статистических данных; применением современных научных методов; результатами расчетов, выполненных для техногенных отходов некондиционного фосфатного сырья; положительными результатами применения разработанных положений при переработке техногенных отходов некондиционного фосфатного сырья при опытных и опытно-промышленных испытаниях, подтвержденных актами испытаний.

Практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по переработке отходов фосфатно-магниевого сырья для получения нового мелиоранта, с учетом физико-химических и технологических свойств компонентов твердых отходов, обеспечивающие решение задач ресурсосбережения и охраны окружающей среды. Получен новый мелиорант, проявляющий себя как нейтрализатор почвенной кислотности и активного алюминия. Предложена

технологическая схема промышленного производства, подтвержденная опытно-промышленными испытаниями.

Реализация работы. Результаты, полученные в работе, приняты для внедрения на Ковдорском ГОКе, что подтверждено актом на внедрение результатов диссертационной работы в производство. Мелиорант апробирован на почве, что подтверждено актами испытаний.

Личный вклад автора. Научные результаты, вынесенные на защиту, получены автором самостоятельно. В совместных работах ему принадлежат постановка задач, их анализ, выбор математических моделей и численных

алгоритмов в решении задач оптимизации процессов, установленные закономерности и разработанные методы, организация и участие в проведении экспериментальных исследований для подтверждения расчетных характеристик.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: шестой Всесоюзной конференции по фосфатам «Фосфаты - 84 » (АН Каз. ССР, г. Алма - Ата, 1984); межотраслевой научно-практической конференции « Новые технические решения в области использования вторичных материальных ресурсов и отходов производства » (г. Куйбышев,1985);научно- технической конференции молодых ученых и специалистов (г. Тольятти, 1985); Всесоюзном совещании «Развитие фосфорной промышленности в XII пятилетке» (г. Чимкент, 1986); Международных научных конференциях «The problems of mathematics education and culture» (Togliatti, 2003) и «Mathematics and its applications» (Togliatti,2005); 43-й и 44-й научно-технической конференции УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях» (г. Ульяновск, 2009 и 2010); 8-й и 9-й Международных научных конференциях «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (г. Москва-Таллинн,2009), (Москва-Котону (Бенин), 2010.

Публикации. Основные результаты опубликованы в 33 печатных работах, в том числе 18 печатных работ опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий ВАК, отражающих основные результаты докторских диссертаций, в монографии, а также статьи в трудах высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов, в материалах и трудах Международных и Всероссийских научных конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Полный объем составляет 232 страницы машинописного текста, включая 36 рисунков, 24 таблицы, библиографию, содержащую 228 названий, приложения на 5 страницах, включающие акты внедрения и передачи.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, объект и предмет исследования, сформулированы цели и задачи исследования, научная проблема и направления ее решения, раскрываются методы исследования, научная новизна и практическая значимость результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ литературных данных. Рассматриваются проблемы экологии применительно к отдельным районам Европейского Севера России. Рассмотрены природные факторы. Осадки преобладают над испарением. Почвенный и растительный покров характеризуются низкой восстанавливаемостью. Мелкодисперсный состав хвостов обогащения провоцирует ветровой разнос пылевидного материала, который загрязняет атмосферный воздух и образует значительные по площади техногенные аномалии в почвах, значительно удаленных от хвостохранилищ, увеличивающих в них содержание тяжелых металлов. Представлен анализ исследований в области эколого-экономической оценки использования техногенных отходов фосфатного сырья.

Хвосты (складируемые после 1976 г.) содержат до 28% MgO, до 4,8 % P2O5 и могут использоваться для производства мелиоранта. Разработке общих подходов теоретических основ экономической оценки ресурсов, к которым можно отнести и техногенные отходы, отражены в работах , , и других ученых. Однако в этих работах не нашли достаточного отражения принципы и подходы к оценке уровня ценности отходов для вовлечения их в хозяйственный оборот в условиях рынка, разнообразия направлений их использования. Необходимо разработать более глубокую методологическую основу решения вопросов. В следующем разделе рассматривается современное состояние плавленых магниевых фосфатов, которые получают путем плавления природных фосфатов с магнийсодержащими добавками (в основном с силикатами), при этом апатитовая решетка, свойственная всем природным фосфатам, разрушается и образуется высокотемпературная модификация трикальцийфосфата (α-Ca3(PO4)2), а последующее резкое охлаждение расплава приводит к образованию стекловидного вещества и сохранению высокотемпературной α-модификации, хорошо растворимой в 2% - ной лимонной кислоте. Однако их промышленное производство в нашей стране не освоено. Полученные в Государственном НИИ горно-химического сырья опытные партии плавленых магниевых фосфатов из апатитов с добавлением магнийсодержащих добавок в конце 80-х и начале 90-х годов прошлого века были испытаны на почвах НИИ удобрений и инсектофунгицидам им как фосфорные удобрения. Были получены положительные результаты. Однако из-за экономических преобразований в стране работы были прекращены.

Ранее складированные отвальные хвосты, содержащие магний и фосфор, так и остаются в отвалах, как и мелочь фосфатного сырья, крупностью менее 10 мм, которая также складировалась в отвалы, поскольку является отходом фосфорного производства. Поэтому их совместная переработка довольно перспективна и заслуживает проведения исследований в этой области. Рассмотрены проблемы регулирования кислотности почв и снижения концентраций в почвенном слое тяжелых металлов в доступной для растений форме. Нужна такая система мелиорантов и других почвоулучшателей, которая компенсирует недостаток элементов питания растений, но не приводит к коренной смене напочвенного покрова, включая его микробиоту. Анализируются характеристики способов получения плавленых магниевых фосфатов, из опыта фосфорной промышленности зарубежных стран. При этом необходимо отметить, что плавленые магниевые фосфаты получают из кондиционного сырья, сплавлением апатитов с магнийсодержащими добавками. Отходы фосфатного и магниевого сырья для получения мелиорантов и других почвоулучшателей ранее не использовались. Представлен анализ исследований в области эколого - экономической оценки использования техногенных отходов. Последний раздел посвящен обоснованию получения нового мелиоранта из техногенных отходов фосфатно-магниевого сырья и постановке задачи исследования.

Во второй главе представлены разработанные методологические основы эколого-экономического обоснования использования техногенных отходов фосфатного сырья.

В настоящее время основная часть высококачественного апатитового концентрата идет на экспорт по ценам, которые не соответствуют возможностям отечественных производителей. В России полностью остановлено производство желтого фосфора. Объем отечественного производства фосфорных удобрений резко упал, что уже привело к значительному падению урожайности вследствие безвозвратного выноса фосфора из почвы без его восполнения. Практически исчез экспорт фосфорных удобрений. В то же время в России имеются значительные запасы фосфатного сырья в виде фосфоритов с содержанием P2O5 до 22-24%, а также в виде огромных хвостохранилищ отходов обогащения фосфатного сырья. Однако эти запасы не востребованы, так как существующая технология рассчитана на получение концентрированных водорастворимых фосфорных удобрений кислотными методами, при которых образуется также большое количество отходов в виде фосфогипса. За рубежом для сильно увлажненных почв и для риса выпускаются лимонно-растворимые (растворимые в 2%-ном растворе лимонной кислоты) удобрения термическими методами, где кроме фосфора, содержатся и другие удобрительные компоненты. Таким образом, необходимо развивать принципиально новые бескислотные методы переработки фосфатного сырья и отходов термохимическими методами для получения плавленых магниевых фосфатов, которые позволяют перерабатывать бедные фосфатные руды и отходы, содержащие магний, калий и другие агрохимические компоненты. Лимонно-растворимая форма питательных веществ в этих плавленых магниевых фосфатах определяет их длительное использование в почве, удобство хранения и перевозки. Их производство электротермическим способом позволяет добиться практически безотходного производства и свести на нет загрязнения окружающей среды.

Современное состояние научных разработок и практической деятельности в области использования техногенных отходов фосфатного сырья дает основание полагать о наличии в них огромного потенциала для создания разнообразных видов продукции. В то же время расширение использования отходов может быть осуществлено только при условии соответствия имеющегося потенциала с заинтересованностью в его освоении производителей и потребителей. В народнохозяйственной деятельности востребованы не сами отходы в том виде, в котором они образуются и накапливаются, а некоторые виды продукции, создаваемые при их использовании. Так как различные виды продукции, создаваемой из отходов, вместе с параметрами, характеризующими их физическую значимость, имеют и стоимостную оценку, то их производство должно быть, по крайней мере, рентабельным. Таким образом, в рассматриваемый период времени различные отходы фосфатного сырья могут представлять собой как реальную, так и потенциальную ценность для получения различных минеральных ресурсов. Однако возможность использования отходов для создания рентабельного производства некоторых видов потребительских стоимостей может быть не достаточна для их реализации на рынке, так как только наиболее ценная их часть может обеспечить возможность создания конкурентоспособной продукции. Ценность отходов, из которых возможно создание конкурентоспособных потребительских стоимостей, характеризуется различной степенью соответствия интересам потенциальных инвесторов. Кроме этого, вместе с ценностями, представляющими отходы с точки зрения возможного получения из них различных видов минеральных ресурсов и продуктов, эти ценности могут содержать в себе эколого-экономическую составляющую. Рассмотренные характеристики ценностей, которыми обладают отдельные накопления отходов фосфатного сырья, дают возможность установить выводы о необходимости их систематизации с точки зрения условий для дальнейшего развития хозяйственной деятельности, при их использовании для образования потребительских стоимостей. Систематизация по уровням ценности отходов в порядке возрастания уровня доходности, который может быть достигнут при их использовании, позволяет их представить в соответствии с характеристиками экономических условий для вовлечения в хозяйственную деятельность.

В соответствии с разработанной систематизацией, установлено три уровня практической ценности по мере возрастания ценности: уровень рентабельности, уровень конкурентоспособности, уровень инвестиционной привлекательности. Особенностью предлагаемого методологического подхода является возможность учета многообразия различных условий и обстоятельств, влияющих на изменение ценности отходов, происходящих в течение времени, зависящих не только от востребованности в народном хозяйстве в различные периоды времени, но и от их физико-химических и механических свойств, которые могут оказывать влияние на снижение или увеличение себестоимости выпускаемой продукции в конкретных технологических процессах.