Элементопотоки в техносфере

Основой современного подхода как к оценке эффективности использования различного рода ресурсов, так и к оценке техногенного воздействия производств на окружающую природную среду (как это уже отмечал ось ранее) является принцип построения ресурсных циклов, или круговоротов материалов. Такой подход позволяет наиболее четко проследить причинно-следственные связи многофакторных природно-техногенных процессов.

В современный технический язык прочно вошли термины "ресурсный цикл", "энергопроизводственный цикл", "биосферный ресурсный цикл", "от колыбели до могилы". Некоторые из них широко используются средствами массовой информации и употребляются на бытовом уровне. После того как были сформулированы понятия и рассчитаны круговороты ряда химических элементов - азота, серы, углерода и др., имеющих особое значение для органических процессов, происходящих на нашей планете, следующим логическим шагом в этой тенденции является введение понятия "потока химического элемента", или "элементопотока"*.

* Термин "элементопоток" предложен П.И. Черноусовым

Необходимость такого подхода вытекает из следующих соображений. В современных условиях все большее, а часто и определяющее значение, какв вопросах формирования структуры изделий и влияния на качество продукции, так и при образовании выбросов суперэкотоксикантов, играют примесные или, иными словами, микроэлементы, присутствующие в техногенном материале иногда в количестве всего лишь нескольких граммов на тонну материала. Окружающая человека среда становится наиболее сложной по номенклатуре химических соединений и материалов, не свойственных среде природной, и этот процесс развивается все более стремительно. В этих условиях необходимо иметь не только максимально достоверную информацию о происходящих технологических процессах, но и надежную основу для анализа и прогноза возможных социальных последствий принимаемых технических решений. Надежность в подобном анализе может обеспечить только учет движения в рассматриваемой системе каждого химического элемента независимо от его количества, базирующийся на балансовом методе исследования и подтвержденный термодинамическими расчетами состава всех образующихся в системе фазовых составляющих. Количественная оценка этого движения выражается в виде элементопотока.

Таким образом, под техногенным элементопотоком мы будем понимать все количественно определенные параметры движения химического элемента по технологической цепочке начиная от его извлечения из сплошной природной среды (недр) и включающие транспорт сырья и продукции, производство энергии и все технологические стадии производства и потребления продукта, все формы обращения с отходами производства и потребления, в том числе их рециклинг и депонирование, а также распространение исследуемого элемента с выбросами во все природные среды.

Данная схема элементопотока в самой полной мере отражает приведенное выше его определение и демонстрирует глобальный характер распределения элемента. Однако в зависимости от цели и глубины проводимых исследований можно строить и другие схемы элементопотоков, например:

- для отдельных составляющих на стадиях добычи и подготовки ресурсов к потреблению, транспортировки, производственной или бытовой сферы и т.п.;

- для различных регионов - добывающего, производственного, энергопроизводящего, и территорий, используемых для складирования отходов и т.д.;

- для конкретных производственных подразделений, в том числе отдельных агрегатов и т.п.

В отличие от глобального эти элементопотоки можно определить как локальные (или региональные, если речь идет о построении его по географическому положению). Кроме того, элементопотоки с учетом временного фактора могут подразделяться на среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые, "мгновенные" и т.п., а также интегральные - за определенный период, например, за время функционирования какого-либо производственного предприятия, с момента основания какого-либо региона или промышленного центра и т.д.

Возможны различные формы выражения элементопотока: графическая, табличная, аналитическая и т.п.

Остановимся еще на одном важном методическом вопросе, а именно подразделении химических элементов на макро- и микроэлементы. Как правило, к макроэлементам относят элементы, которые:

- определяют пространственное существо предмета своим количественным присутствием в нем;

- существенным образом влияют на ход процессов добычи, производства, потребления или эксплуатации продукта, определяя технико-экономические показатели упомянутых стадий техногенных преобразований природных ресурсов.

В количественном выражении можно принять, что к макроэлементам относятся те, содержание которых в рассматриваемом продукте (или системе) превышает около -0,01 масс.%. Если содержание элемента составляет менее 0,01 масс.%, то его можно условно отнести к категории микроэлементов. Отметим, что в специальной литературе микроэлементы часто подразделяются на "микропримесные" - существенным образом влияющие на свойства и количественные характеристики продукта, и "следовые", - содержание которых настолько незначительно, что их присутствие никак не влияет ни на какие из известных в настоящее время потребительских или токсических характеристик продукта.

Детальное рассмотрение элементопотоков проведем на примере индустрии черных металлов - отрасли, которая является крупнейшим производителем и переработчиком материалов, а продукция отрасли - сталь, чугун и железо - основными конструкционными материалами.

ЭЛЕМЕНТОПОТОКИ И ФОРМИРОВАНИЕ "ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ"

Проведенные расчеты показывают, что за время существования ОАО "Северсталь" на его собственной и прилегающих к нему территориях сформировалось новое антропогенное образование, сравнимое по мощности с крупным месторождением полиметаллического сырья. Подобное образование может быть названо "meхногенным месторождением". Череповецкое техногенное "месторождение" содержит более200 тыс. т цветных и редких металлов, около 18 тыс. т мышьяка и до 3,5 тыс. т фтора.

ОАО "Северсталь" можно отнести к сравнительно молодым предприятиям. Вполне очевидно, что на территории других крупных предприятий металлургического, химического, машиностроительного и других комплексов, особенно существующих более 50-60 лет, могут сформироваться мощные техногенные "месторождения" рудных и нерудных материалов. Так, по ориентировочным расчетам, на территориях Магнитогорского, Ново-Липецкого, Нижне-Тагильского металлургических комбинатов существуют техногенные "месторождения" объемом более 1 млнт цветных и редких металлов каждое.

Техногенное "месторождение" является основным по количеству, наиболее разнородным по составу и наименее изученным видом техногенных ресурсов. Материалы, слагающие техногенные "месторождения", отличаются широким спектром физических, химических, механических и других характеристик. Составление кадастра этих "месторождений" даже при самом заинтересованном отношении займет не один десяток лет, и, наверняка, будет предложена не одна классификация подобных "месторождений". Например, по данным ЕЭС, в первой половине 90-х годов ХХ в. В странах сообщества ежегодно образовывал ось свыше 2 млрд т техногенных материалов (отходов), в том числе (в млн т):

твердых бытовых отходов - 150;

промышленных отходов - 330;

сельскохозяйственных отходов - 700;

отходов горнорудного производства - 360;

различных шламов - 620;

строительного мусора - 260;

перемещенного грунта - 50;

золошлаковых отходов - 30.

Отметим, что страны ЕЭС находятся в относительно благополучном состоянии по сравнению с регионами - производителями основных энергетических и материальных ресурсов. Во многих странах, к которым относится и Россия, объем накопления отходов горнорудного и энергетического комплексов существенно выше, чем в странах сообщества. Тем не менее приведенные цифры позволяют оценить значимость анализируемой проблемы.

Несмотря на все многообразие техногенных месторождений, можно выделить некоторые их общие черты. Техногенные "месторождения" в отличие от природных месторождений возникли как "непланируемая" продукция, и их запасы формировались стихийно. Отраслям народного хозяйства было выгодно использовать первичное сырье, и анализом техногенных месторождений практически никто не занимался. Можно сказать, что техногенные отходы - это "сырье неизвестно для чего", сырье "без дальнейшей судьбы". Поэтому выделим основные особенности техногенного сырья, отличающие его от природных ископаемых.

1. Техногенные месторождения - продукт "быстрого созревания", период их жизни - десятки лет вместо миллионов лет, характерных для природных месторождений. При этом запасы техногенных месторождений постоянно пополняются за счет "свежих" отходов.

2. Малый срок жизни техногенного месторождения определяет более низкий уровень его однородности, большой разброс свойств по площади и глубине залегания.

3. "Созревание" техногенного месторождения означает изменение свойств техногенного сырья во времени и сильную зависимость свойств и скорости их изменений от параметров окружающей среды (климат, роза ветров, изменение влажности и др.).

4. В техногенных отходах могут находиться опасные компоненты, на "дезактивацию" которых природе потребуются миллионы лет.

5. Техногенное сырье имеет, как правило, повышенную концентрацию большинства таких элементов, содержание которых в земной коре мало. С этой точки зрения техногенные материалы - это первичное сырье, прошедшее стадию обогащения.

6. Для определения качества (стандартов) техногенного сырья методы, применяемые для контроля свойств природного сырья, неприменимы. Нужно определить заново набор свойств, характеризующих качество техногенного сырья, из которых ряд представлен совершенно новыми (скорость изменения свойств, участие в катализе природных, например окислительных процессов, однородность свойств, доля окисленных компонентов и др.). Эти показатели качества должны контролироваться во всех видах техногенного сырья. Наряду с этим следует оценивать те свойства техногенного сырья, которые имеют значение для избранного способа их переработки.

В итоге можно считать, что техногенное сырье не лучше и не хуже природного сырья. Оно - другое сырье.

Накопление или рассеивание микроэлемента на территории рассматриваемого региона обусловлено общими закономерностями его миграции в различных ландшафтных условиях. В свою очередь, определяющую роль в процессах миграции играют "геохимические барьеры" (термин предложен А.И. Перельманом). Геохимический барьер представляет собой участок срезкой сменой геохимической обстановки, которая приводит к осаждению мигрирующих химических элементов. Этот вопрос, недостаточно рассмотренный в ресурсно-экологической литературе, следует изложить несколько подробнее.

Механический барьер создается в результате смены рыхлых пород на плотные, поры которых по размерам меньше, чем ионы мигрирующих соединений, поэтому происходит прекращение миграции элементов в минеральной и коллоидной форме. Механический барьер характерен для элементов, образующих малорастворимые соединения, а также для благородных металлов и металлов, встречающихся в самородном состоянии: Ti, Zr, Cr, Nb, Аи, Ru, Ir, Pt, W, Hf, Та и др.

Биогеохимический барьер определяется способностью растительных и животных организмов удерживать химические элементы в течение длительного времени. Биогеохимические барьеры относятся к числу наиболее распространенных в биосфере. Концентрация на этих барьерах химических элементов часто является стадией их биологического круговорота.

Краткая характеристика физико-химических барьеров приведена в табл. 3.25.

Подвижность и накопление мигрирующих химических элементов, характерных для техногенных потоков вещества с точки зрения сочетания кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий среды, иллюстрируется данными табл. 3.26.

Таким образом, мигрирующие химические элементы, прежде всего металлы, отличаются ярко выраженной тенденцией к накоплению или выносу из основных видов почвообразующих пород.

Таблица 3.25 Физико-химические барьеры

Таблица 3.26

Подвижность химических элементов в зависимости от сочетания кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий среды