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.
