Russian Federation
Mining waste products have a significant effect on the vulnerable natural environment of the Arctic and the human health. So, the problem of mining waste utilization is of a particular relevance for the Murmansk Region. The article discusses the existing legal and regulatory framework, promising directions for the development of technologies in this area, and the current waste utilization methods. The author highlights the practical results of mining waste disposal. The tailings facilities (TSF) are considered as technogenic deposits with a low content of valuable components and so can be used in the building industry due to low cost of such materials and reduction of environmental damage during TSF removal.
the Arctic, mining waste, technogenic deposits, industrial exploitation
Введение
Существенная часть уникальных по своему разнообразию минерально-сырьевых ресурсов России расположена в Арктической зоне (далее – Арктика), где ежегодно образуется до 1 млрд т твердых отходов [1]. Наибольшие площади отходов находятся в Мурманской области, Ненецком автономном округе (низовья Печоры), в южной части Ямало-Ненецкого автономного округа, Красноярском крае (Норильский промышленный район), на севере Республики Сахи (Якутия) и Чукотском полуострове вокруг золотодобывающих районов.
В настоящее время на территории Мурманской области располагаются крупнейшие производства горнодобывающей, горнообрабатывающей и металлургической промышленности, что делает ее одним из наиболее урбанизированных регионов Арктики. На этой территории функционируют следующие предприятия, эксплуатирующие месторождения полезных ископаемых: АО «Кольская ГМК» (города Заполярный, Мончегорск, пос. Никель), АО «Олкон» (г. Оленегорск), ООО «Ловозерский горно-обогатительный комбинат (ЛГОК)» (пос. Ревда), КФ АО «Апатит», АО «Северо-Западная фосфорная компания (СЗФК)» (города Кировск и Апатиты), «Ковдорский ГОК» (г. Ковдор), филиал АО «РУСАЛ Урал» «Объединенная компания РУСАЛ Кандалакшский алюминиевый завод» (г. Кандалакша).
Эти предприятия, а также объекты накопленного экологического ущерба в местах размещения ликвидированных предприятий добывающей промышленности являются основными источниками образования горнопромышленных отходов в этом регионе. Их доля в структуре промышленного производства Мурманской области составляет более 50 %, они являются градообразующими для более трети населения. Кроме того, образуемые ими отходы составляют 99,4 % образования всех отходов производства и потребления в области (2021) [2, 3].
За весь период разработки месторождений были добыты сотни миллионов тонн руд, а остальные материалы размещены в отвалах длиной в несколько километров и хвостохранилищах площадью от сотен до тысяч гектаров. Из этого объема породы вскрыши и проходки составляют 72,4 %, хвосты обогащения – 24 , забалансовые и попутные руды – 2,4, шлаки и золы – 1,5 % [4–6].
Использование отходов горного, обогатительного и металлургического производств является актуальной проблемой для Арктики и, в частности, Мурманской области. Поэтому создание и внедрение эффективных методов извлечения из них полезных компонентов, вторичное использование и возврат в производственный цикл позволяют получить решение в виде дополнительного источника производимой продукции, поскольку поддержание хвостохранилищ и отвалов требует существенных материальных затрат. Благодаря этому достигается и экологический эффект, поскольку горнопромышленные отходы и после завершения эксплуатации месторождений остаются источниками постоянного негативного воздействия на окружающую среду, что приобрело стабильную тенденцию в регионах их присутствия и может привести к необратимым последствиям, которые очень сложно и дорого устранить [7, 8].
Воздействие горнопромышленных отходов на природную среду проявляется в виде пыления хвостохранилищ и отвалов и загрязнения поверхностных и подземных вод, причем воздействие распространяется на территории, в 10 раз и более превышающие сами места их складирования [9]. Наиболее серьезно такое влияние проявляется на арктических территориях ввиду уязвимости сложившихся северных экосистем. Большая часть отчуждаемых при этом земель влияет и на здоровье населения, поскольку находится в промышленно развитых районах и приводит к образованию обширных техногенных пустынь [10]. Особенно опасные в этом отношении сульфидсодержащие отходы, являющиеся наиболее экологически опасными за счет фильтрации поровых растворов через тело дамбы и дно хвостохранилища [11].
В Мурманской области ежегодно складируется более 200 млн т горнопромышленных отходов, а общий объем их уже достиг около 8 млрд т, что соизмеримо с потребностью в минеральном сырье строительной отрасли [12, 13]. Вовлечение в переработку горнопромышленных отходов для производства керамических строительных материалов: тротуарных, облицовочных, стеновых изделий и эффективных теплоизоляционных материалов является перспективным современным направлением развития промышленного и гражданского строительства.
Нормативно-правовая база в области управления горнопромышленными отходами
На территории Российской Федерации в сфере управления отходами регулирование осуществляется преимущественно следующими федеральными законами: № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» и № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», т.е. все методические и организационные функции закреплены за федеральным правительством. Федеральные органы власти устанавливают порядок отнесения отходов к определенному классу опасности, порядок проведения контроля и мониторинга за состоянием и воздействием на окружающую среду объектов размещения отходов и проведению работ по рекультивации нарушенных земель по окончании эксплуатации. Большинство видов образуемых горнопромышленных отходов в зависимости от степени негативного воздействия на окружающую среду были отнесены к V классу (практически неопасные отходы), которые имеют низкую степень отрицательного воздействия на окружающую природную среду и практически не нарушают экосистему.
Решению проблемы управления минеральными отходами также посвящен целый ряд правительственных документов, таких как «Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года», «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года» и «Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года».
В этих документах среди основных задач указываются: обеспечение эффективного обращения с отходами производства; создание условий и современной инфраструктуры для вторичной переработки запрещенных к захоронению отходов, повышение уровня утилизации отходов производства и потребления, государственная поддержка деятельности в сфере обращения с отходами в Арктической зоне, совершенствование системы обращения с опасными отходами в Арктической зоне [14–16].
В 2014 г. правительством было принято решение перейти на новую систему экологического нормирования, основанную на наилучших доступных технологиях (далее –
НДТ). Вступившие в силу Федеральный закон № 219-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон "Об охране окружающей среды" и отдельные законодательные акты Российской Федерации» обязывают предприятия, оказывающие значительное негативное воздействие на природную среду, модернизировать производство, внедряя современное природоохранное оборудование и технологии. Деятельность предприятий горнопромышленного комплекса Мурманской области в области применения НДТ регулируется в соответствии с распоряжением Правительства РФ № 2674-р «Об утверждении Перечня областей применения наилучших доступных технологий» [3].
Наилучшие доступные технологии позволяют сократить риск возникновения аварийных ситуаций, а также снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, почву, подземные и поверхностные воды, сократить воздействие вследствие изъятия земель с целью организации объектов размещения отходов, рационально и комплексно использовать полезные ископаемые и сократить объемы образующихся отходов. Например, скальный грунт, грубодробленая пустая порода и крупная порода от обогащения используются для укрепления откосов ограждающих дамб хвостохранилищ, угольные шламы – в качестве добавки к продуктам обогащения. Вскрышные и вмещающие породы, хвосты применяются при ликвидации горных выработок и для производства строительных материалов, при изготовлении закладочной смеси, материалов для рекультивации нарушенных земель и отсыпки технологических дорог. Кроме того, существуют НДТ для более полного извлечения основных и попутных ценных компонентов из отходов. Побочные и остаточные продукты, образованные при производстве металлов и отходов, используются при реализации различных процессов и этапов очистки или могут использоваться повторно с целью извлечения других металлов. Большая часть материалов повторно перерабатывается или используется как в самой металлургии, так и в других отраслях промышленности, например, при производстве цемента, абразивов и в строительстве.
Принятие решения о переработке техногенного месторождения требует выполнения прогнозной технологической оценки, в которую входит исследование состава и свойств сырья и выявление наиболее эффективных способов его обогащения и переработки. Каждое из техногенных месторождений имеет свою специфику, однако в России отсутствует идентификация объектов размещения промышленных отходов, научная классификация и методология их исследования, которая охватывала бы все их многообразие [16]. Реестр объектов горнопромышленных отходов в Мурманской области начал формироваться с 2014 г. По данным реестра, на территории Мурманской области находится 54 объекта размещения горнопромышленных отходов [17].
Использование горнопромышленных отходов в Мурманской области
Эксплуатация наиболее доступных и богатых месторождений Мурманской области истощила минерально-сырьевую базу и привела к возрастанию объемов затрат. Учитывая потери в процессах добычи и обогащения, истощение запасов, необходимость вовлечения в эксплуатацию все более бедного сырья, увеличение доли труднообогатимых руд и накопление значительного объема отходов обогащения, горно-обогатительные предприятия вынуждены разрабатывать новые технологии извлечения. В том числе рассматривать отходы горного и металлургического производства как техногенные месторождения и потенциальный источник ценных компонентов. Отходы горного, обогатительного и металлургического производств представляют собой складированные вскрышные горные породы, хвосты обогащения, забалансовые руды и прочие отходы металлургии и угольной промышленности. Кроме того, наблюдается снижение их ценности уже на ранних стадиях хранения, а при длительном размещении происходит безвозвратное масштабное загрязнение окружающих территорий и полная потеря потребительских качеств. Особое внимание уделяется возможности вовлечения в производство тонкодисперсного сырья, а именно – хвостов обогащения.
Запасы первичных руд по содержанию неизвлеченных полезных компонентов сопоставимы с запасами руд в техногенных месторождениях. Однако переработка техногенных минеральных образований требует меньших затрат, поэтому они могут удовлетворять потребности промышленности в течение длительного времени, поскольку наблюдается тенденция превышения темпов накопления горнопромышленных отходов над темпами роста промышленного производства [7, 18].
В структуре образующихся отходов горнодобывающих предприятий Мурманской области отходы V класса опасности (скальные и вскрышные породы, хвосты обогащения, металлургические шлаки) занимают долю около 99 % всех образующихся отходов [19–21]. Образование, утилизация и обезвреживание отходов производства и потребления V класса опасности в Мурманской области показано в таблице.
В настоящее время на предприятиях горнопромышленные отходы не находят широкого применения, доля их утилизации за последние годы снизилась и используется не более 10 % их образования, в основном для заполнения отработанных карьеров, производства песка и щебня для строительства и ремонта автомобильных дорог, насыпи железнодорожного полотна и обвалования дамб [19–23]. Однако в других странах, например, в США и Японии доля отходов в сырьевом балансе составляет до 26 %, а в большинстве экономически развитых стран – 16–20 % [18].
Можно отметить, что на данный момент в целях повышения эффективности переработки руд реализуются новые проекты в области производственных технологий. Так, ПАО «ФосАгро» и Кольский научный центр Российской академии наук будут разрабатывать оптимальные режимы подготовки руды и селективной флотации, эффективные и экологичные флотационные реагенты, проводить 3D-картирование запасов руды [21].
Перспективные разработки и практическое применение
Вопрос переработки бедных руд и горнопромышленных отходов могут решить комбинированные технологии и гидрометаллургические процессы извлечения полезных ископаемых, обеспечивающие доизвлечение полезных компонентов. Для переработки некондиционного сырья с существенно более низким содержанием полезных компонентов перспективным представляется метод кучного выщелачивания. Этот метод уже прошел успешные промышленные испытания по извлечению металлов из медно-никелевых руд горнодобывающей компанией Талвиваара, Финляндия (Talvivaara Mining Company plc). Также стоит выделить бактериальное биовыщелачивание, основанное на природных химико-биологических процессах и позволяющее достигнуть извлечения ценных компонентов свыше 90 %. Еще одним перспективным направлением использования минеральных отходов является применение физико-химических геотехнологий при низкой химической активности нерудных минералов [11].
Наибольший интерес представляют отходы, находящиеся в непосредственной близости от предприятий горного и металлургического комплекса. Потенциальным сырьем могут стать хвосты обогащения медно-никелевых руд (АО «Кольская ГМК»), апатит-нефелиновых руд (АО «Апатит») и железистых кварцитов (АО «Олкон»). Общее количество отходов обогащения этих предприятий почти достигло 2,5 млрд т, из которых 45,6 % составляют отходы КФ АО «Апатит» и 38,1 % – хвостохранилища АО «Олкон» и АО «Кольская ГМК» [5]. При их переработке образуется большое количество различных побочных продуктов, которые необходимо использовать в качестве строительных материалов и для керамического производства. Оптимальный состав керамической массы отвечает следующему соотношению компонентов, %: хвосты обогащения медно-никелевых руд – 40, апатит-нефелиновых руд – 40, железных руд – 20 [6]. Кроме того, хвосты АО «Апатит» могут служить сырьем для получения глинозема, соды и поташа из-за высокого содержания нефелина (52–60 %) [7].
Основным способом обоснования целесообразности и возможности переработки горнопромышленных отходов являются эксперименты, на основании которых может быть сделан прогноз перспектив освоения тех или иных техногенных месторождений. В ряде работ были получены эффективные теплоизоляционные блочные и гранулированные пеноматериалы, декоративные стекла, керамические и гиперпрессованные материалы: стеновые, облицовочные и тротуарные изделия. Таким образом, на основе отходов и побочных продуктов могут быть получены материалы, которые могут найти применение при строительстве и реконструкции зданий [8, 12, 24].
Главными причинами, сдерживающими переработку техногенного сырья, называют природную и техногенную неоднородность различных уровней, обусловливающую непостоянство состава и свойств, а также наличие нехарактерных для первичного сырья минералов-примесей [20]. Неблагоприятные климатические условия горнодобывающих регионов России также являются определенным препятствием, однако в мировой практике, как и в России, есть примеры ведения работ в сложных климатических условиях [24, 25].
Заключение
В настоящее время, несмотря на то, что горнопромышленные предприятия Мурманской области обладают собственной минерально-сырьевой базой на стратегическую перспективу, доля запасов, доступных для открытой разработки, неуклонно снижается, а перспективы их восполнения на данный момент неочевидны. Тем не менее некоторые из предприятий перешли на добычу и переработку рядовых и бедных руд.
Очевидна перспективность рассмотрения хвостохранилищ как техногенных месторождений с низким содержанием ценных компонентов. Вовлечение техногенного сырья в хозяйственный оборот для получения строительных материалов рентабельно, так как хвостахранилища расположены на поверхности земли, а стоимость их переработки невысока. Это позволит снизить расходы на поиски и разведку новых месторождений и высвободит занимаемые земли и ликвидирует источники загрязнения окружающей среды на прилегающие к ним территории.
Важным аспектом является разработка научных основ инновационных технологий и проектных решений производственных линий. Однако горнопромышленные предприятия Мурманской области действуют в течение долгого периода времени, а их высокий уровень энергетической емкости и потребления ресурсов серьезно препятствует техническому переоснащению и реконструкции.
К перспективным задачам можно отнести технологическое доизучение и обоснование утилизации горнопромышленных отходов и поиск специфических технологий их переработки с учетом снижения воздействия на окружающую среду. Чтобы диверсифицировать развитие экономики и создать конкурентоспособную отечественную промышленность переработки отходов горнопромышленных предприятий, необходимо создать опытные производства и типовые производственно-технические комплексы.
1. Sokolov, Yu.I. Arktika: k probleme nakoplennogo ekologicheskogo uscherba / Yu.I. Sokolov // Arktika: ekologiya i ekonomika. - 2013. - № 2 (10). - S. 21.
2. Kozyrev, A.A. Sostoyanie i potencial gornopromyshlennogo kompleksa Murmanskoy oblasti / A.A. Kozyrev, S.V. Zhabin, O.E. Churkin // Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2009. - T. 12, № 4. - S. 591-595.
3. Doklad o sostoyanii i ob ohrane okruzhayuschey sredy Murmanskoy oblasti v 2021 godu. - URL: https://gov-murman.ru/region/environmentstate/ (data obrascheniya: 14.04.2023).
4. Gromov, E.V. Ocenka effektivnosti pererabotki tehnogennogo syr'ya rudnyh mestorozhdeniy Kol'skogo gornopromyshlennogo kompleksa / E.V. Gromov, A.S. Opalev, V.A. Ivanova, M.S. Hohulya // Sever i rynok: formirovanie ekonomicheskogo poryadka. - 2018. - № 3 (59). - C. 77-90.
5. Churkin, O.E. Osvoenie othodov gornogo proizvodstva kak investicionnoe napravlenie razvitiya gornorudnoy promyshlennosti Kol'skogo poluostrova / O.E. Churkin, A.A. Gilyarova // Ekonomika, predprinimatel'stvo i pravo. - 2020. - T. 10, № 3. - C. 905-916.
6. Makarov, D.V. Issledovaniya po obosnovaniyu snizheniya ekologicheskoy opasnosti othodov gornopromyshlennogo kompleksa: osnovnye rezul'taty i perspektivy nauchnogo napravleniya / D.V. Makarov, V.A. Masloboev, L.B. Koshkina, L.P. Sulimenko, A.V. Svetlov [i dr.] // Trudy Kol'skogo nauchnogo centra. - 2018. - T. 9, № 9-6. - C. 104-160.
7. Nevskaya, M.A. Geoekologicheskie i organizacionno-ekonomicheskie problemy pererabotki gornopromyshlennyh othodov v Rossiyskoy Federacii / M.A. Nevskaya, S.G. Seleznev, V.A. Masloboev, E.M. Klyuchnikova, O.T. Konina [i dr.] // Vestnik Kol'skogo nauchnogo centra RAN. - 2020. - T. 12, № 1. - C. 11-25.
8. Manakova, N.K. Gornopromyshlennye othody Murmanskoy oblasti dlya polucheniya blochnyh penosilikatov / N.K. Manakova, O.V. Suvorova // Mineralogiya tehnogeneza. - 2017. - № 18. - C. 163-173.
9. Gabaraev, O.Z. Koncepciya utilizacii tehnogennyh i metallosoderzhaschih othodov / O.Z. Gabaraev, M.Yu. Liskova, E.Yu. Razorenova, A.O. Gabaraeva // Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta. - 2021. - № 4 (64). - S. 80-87.
10. Makarov, V.N. Fiziko-himicheskie processy v sul'fidsoderzhaschih gornopromyshlennyh othodah / V.N. Makarov, O.N. Krasheninnikov, B.I. Gurevich, A.P. Zosin, N.N. Grishin [i dr.]. - Apatity: Kol'skiy nauchnyy centr RAN, 2003. - 234 s.
11. Svetlov, A.V. Problema pererabotki bednyh rud i tehnogennyh othodov, snizhenie negativnogo vliyaniya na okruzhayuschuyu sredu ot deyatel'nosti predpriyatiy gornopromyshlennogo kompleksa / A.V. Svetlov, E.A. Krasavceva, A.A. Goryachev, E.O. Potorochin // Vestnik Kol'skogo nauchnogo centra RAN. - 2020. - T. 12, № 3. - C. 21-34.
12. Suvorova, O.V. Ispol'zovanie tehnogennogo syr'ya Murmanskoy oblasti v proizvodstve stekla i keramiki / O.V. Suvorova, R.G. Melkonyan, D.V. Makarov, V.V. Laschuk // Tehnika i tehnologiya silikatov. - 2010. - T. 17, № 3. - C. 23-29.
13. Strategiya razvitiya Arkticheskoy zony Rossiyskoy Federacii i obespecheniya nacional'noy bezopasnosti na period do 2035 goda. - URL: http://www.scrf.gov.ru/security/economic/Arctic_stratery/ (data obrascheniya: 14.04.2023).
14. Osnovy gosudarstvennoy politiki v oblasti ekologicheskogo razvitiya Rossiyskoy Federacii na period do 2030 goda. - URL: https://docs.cntd.ru/document/90236900 4 (data obrascheniya: 14.04.2023).
15. Osnovy gosudarstvennoy politiki Rossiyskoy Federacii v Arktike na period do 2035 goda. - URL: http://www.scrf.gov.ru/security/economic/Arctic2035/ (data obrascheniya: 14.04.2023).
16. Denisova, Yu.L. Hvosty obogascheniya medno-nikelevyh rud AO «Kol'skaya GMK» i vozmozhnye puti ispol'zovaniya / Yu.L. Denisova, A.V. Svetlov // Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN. - 2018. - T. 9, № 2-2. - C. 821-824.
17. Svedeniya iz gosudarstvennogo reestra ob'ektov razmescheniya othodov. - URL: https://rpn.gov.ru/activity/regulation/kadastr/oro/ (data obrascheniya 14.04.2023).
18. Larichkin, F.D. Problemy racional'nogo obrascheniya s gornopromyshlennymi othodami / F.D. Larichkin, V.N. Perein, L.I. Goncharova // Problemy racional'nogo ispol'zovaniya prirodnogo i tehnogennogo syr'ya Barenc-regiona v tehnologii stroitel'nyh i tehnicheskih materialov: V Vserossiyskaya nauchnaya konferenciya s mezhdunarodnym uchastiem, Apatity, 12-15 noyabrya 2013 goda. - 2013. - C. 20-22. - URL:https://helion-ltd.ru/mountain-industrial-wastes/ (data obrascheniya: 14.04.2023).
19. Otchety o korporativnoy social'noy otvetstvennosti i ustoychivosti razvitiya PAO «Severstal'». - URL: https://www.severstal.com/rus/sustainable-development/documents/reports (data obrascheniya: 14.04.2023).
20. Otchety ob ustoychivom razvitii PAO «GMK “Noril'skiy nikel'”». - URL: https://www.nornickel.ru/investors/reports-and-results/annual-reports/ (data obrascheniya: 14.04.2023).
21. Godovye otchety PAO «FosAgro». - URL: https://www.phosagro.ru/investors/reports_and_results/ (data obrascheniya: 14.04.2023).
22. Laschuk, V.V. Issledovanie othodov obogascheniya rud gornopromyshlennogo kompleksa Murmanskoy oblasti v kachestve termohimicheskogo syr'ya dlya proizvodstva stekla i keramiki / V.V. Laschuk, O.V. Suvorova, D.V. Makarov, V.A. Bokareva // Trudy Fersmanovskoy nauchnoy sessii GI KNC RAN. - Apatity, 2011. - № 8. - C. 259-264.
23. Makarov, D.V. Perspektivy ispol'zovaniya promyshlennyh othodov dlya polucheniya keramicheskih stroitel'nyh materialov / D.V. Makarov, R.G. Melkonyan, O.V. Suvorova, V.A. Kumarova // Gornyy informacionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tehnicheskiy zhurnal). - 2016. - № 5. - C. 254-281.
24. Markovich, T.I. Okislitel'noe vyschelachivanie sul'fidnoy udokanskoy rudy s uchastiem kislorodnyh soedineniy azota v kriogennyh usloviyah / T.I. Markovich, L.I. Razvorotneva // Vestnik ONZ RAN. - 2011. - № 3. - NZ6071. - URL: https://onznews.wdcb.ru/publications/v03/asempg11ru/2011NZ000201R.pdf (data obrascheniya: 14.04.2023).
25. Ollakka, H. The application of principal component analysis for bioheapleaching process - Case study: Talvivaara mine / H. Ollakka, J. Ruuska, S. Taskila // Minerals Engineering. - 2016. - Vol. 96. - P. 48-58.
