10 марта 2016г.
Ежегодно в ОАО РЖД выводится из производственного использования около 5,5 миллионов штук шпал, непригодных к повторной укладке в путь. С целью их утилизации в настоящее время действует производство по сжиганию, в результате чего образуется зола, являющаяся потенциально опасной для окружающей среды.
Соотношение главных оксидов в золе в среднем составляет: Si02 – 40-8%; А1203 – 21-27%; СаО – 4-6%; Fe203 – 4-17%; Na20 – 0,4-1,4%; К20 – 0,4-0,7%. Помимо этого в состав зол входят S03, MgO, ТiO2 и другие. При сжигании некоторых видов угля, торфа и горючих сланцев образуются высокальциевые золы с содержанием СаО до 45%. Такие золы отчетливо проявляют гидравлические свойства и могут использоваться в качестве самостоятельных вяжущих материалов. В зависимости от вида топлива и условий сжигания зола может содержать до 20% и более несгоревших органических частиц топлива, которые считаются вредными примесями [1].
В задачу наших исследований входило установление химического состава и токсичности в случае использования еѐ в качестве химического мелиоранта при выращивании растений на почвах с избыточной кислотностью.
Свойства золы устанавливали по результатам химического, минерального, микрозондового состава, дисперсности и основности. Химический состав в золе определяли рентгенофлюоресцентным методом.
Установлен состав золы от сжигания шпал, масс. %: кремния диоксид – 72,0; алюминия окись – 6,7; магния окись – 2,7; кальция окись – 6,83; окись натрия – 0,25; сульфаты – 1,1; окись калия – 1,6; пятиокись фосфора – 0,6; окись ванадия – 0,9. Концентрация тяжелых металлов составила соответственно, ppm: Аs – 15,125; Ni – 53.29; Си – 326,9; Sn – 7863,5; Fе – 63837,5; Со – 225,0; Мn – 779,77; W – 48,221; Мо – 95,821, в долевом виде это 7,32%.
По данным химического состава рассчитывали класс опасности золы для окружающей природной среды [2] и здоровья человека [3]. В Табл.1 приведены показатели опасности отхода для окружающей среды. Так как общий показатель степени опасности золы меньше 100, то она относится согласно [2] к IV классу опасности. В Табл.2 приведены показатели опасности компонентов золы для здоровья человека.
Таблица 1
Показатели опасности основных компонентов золы
|
Компонент отхода
|
Концентрация компонента отхода, Сi, мг/кг
|
Относительный параметр опасности компонента отхода, Х
|
Коэффициент степени опасности компонента отхода, W , мг/кг
|
Показатель степени опасности компонента отхода, Ki
|
|
SiO2
|
720000
|
4
|
106
|
0,72
|
|
Al2O3
|
67000
|
4
|
106
|
0,067
|
|
CaO
|
68300
|
4
|
106
|
0,068
|
|
MgO
|
27000
|
4
|
106
|
0,027
|
|
Na2O
|
2500
|
4
|
106
|
0,0025
|
|
K2O
|
16000
|
4
|
106
|
0,016
|
|
P2O5
|
600
|
4
|
106
|
0,001
|
|
SO 2-
4
|
1100
|
4
|
106
|
0,001
|
|
V
|
900
|
2,7
|
501,19
|
1,796
|
|
Co
|
225
|
2,7
|
501,9
|
0,448
|
|
Sn
|
7863,5
|
2,9
|
598,4
|
13,14
|
|
Ni
|
53,3
|
2,08
|
128,8
|
0,414
|
|
Cu
|
326,96
|
2,17
|
358,9
|
0,911
|
|
Mn
|
779,77
|
2,3
|
537,0
|
1,452
|
|
|
|
As
|
15,125
|
1,82
|
55,0
|
0,275
|
|
W
|
48,22
|
2,4
|
598,4
|
0,9
|
|
Mo
|
95,82
|
2,3
|
536,1
|
0,18
|
|
Fe
|
63837,2
|
3,1
|
6310
|
10,1
|
|
Показатель опасности золы
|
30,52
|
Состав золы от сжигания шпал изучали с помощью растровой электронной микроскопией с микрозондовой приставкой в отделе минералогии ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского (ФГУП «ВИМС»), на приборе Tecnai-12 Филипс (Голландия), с увеличением 500 тыс., разрешением 1,2 Å, микрозондовой приставкой и микродифракцией. Анализ показал, что зола представляет собой сплав в основе, которого лежит α-железо с объемно центрированной решеткой и параметром элементарной ячейки а=3,59Å (Рисунок 1 а). Все остальные элементы изоморфно входят в этот сплав. Крупная частичка золы располагается на поверхности более мелкой частицы (показана стрелкой). Ее микродифракция отвечает кальциту. На основании микродифракционной картины можно утверждать, что частица относится к кальциту и одновременно здесь отмечено присутствие альфа-железа (Рисунки 1б и 1в).
Таблица 2
Показатели опасности составляющих компонентов золы
|
Компонент отхода
|
Концентрация компонента золы, Сi, мг/кг
|
Относительный параметр опасности компонента золы, Хi
|
Коэффициент степени опасности компонента золы, Wi, мг/кг
|
Показатель опасности компонента отхода, Ki
|
|
SiO2
|
720000
|
4
|
3981,02
|
180,86
|
|
Al2O3
|
67000
|
4
|
3981,02
|
16,83
|
|
CaO
|
68300
|
4
|
3981,02
|
17,16
|
|
MgO
|
27000
|
4
|
3981,02
|
6,78
|
|
Na2O
|
2500
|
4
|
3981,02
|
0,63
|
|
K2O
|
16000
|
4
|
3981,02
|
4,02
|
|
P2O5
|
600
|
4
|
3981,02
|
0,15
|
|
SO 2-
4
|
1100
|
4
|
3981,02
|
0,28
|
|
V
|
900
|
2,7
|
501,19
|
1,80
|
|
Co
|
225
|
2,7
|
40,1
|
5,63
|
|
Sn
|
53,3
|
2,08
|
10,0
|
5,33
|
|
Ni
|
326,96
|
2,17
|
30,0
|
10,90
|
|
Cu
|
7863,5
|
2,9
|
54,4
|
144,55
|
|
Mn
|
779,77
|
2,3
|
20,0
|
38,99
|
|
As
|
15,125
|
1,82
|
5,0
|
3,03
|
|
W
|
48,22
|
2,2
|
25,0
|
1,93
|
|
Mo
|
95,82
|
2,4
|
35,0
|
2,74
|
|
Fe
|
63837,2
|
2,5
|
137,0
|
465,97
|
|
Показатель опасности золы
|
907,56
|
Анализ других частичек золы установил, что зола от сжигания шпал представляет агрегат частиц из сплава железа и меди в виде кубиков, перемежающихся чешуйчатыми обособлениями слоистого алюмосиликата, в которые входят каолинит, монтмориллонит и гидрослюда. Отмечено присутствие зерен кварца, кальцита и других минералов не несущих основную нагрузку в золе по содержанию микро минеральных фаз. В основном размер частиц соответствует 30-40 мкм. На Рисунке 2 приведена рентгенограмма золы, на основании которого определено, что в его состав входит кварц, плагиоклаз, гематит и минерал со структурой шпинели.
Токсичность, а следовательно, экологическую опасность золы при различном еѐ содержании в субстрате (почве) определяли в лабораторных условиях методом
биотестирования в соответствии с общепринятой методикой [4-6]. В качестве тест-культуры была выбрана
пшеница. В минисосуды (до 0,5 кг) засыпали
смесь песка и золы.
Проращивание проводили в установке с частично
контролируемыми параметрами (температура, свет).
Через 3 дня после начала опыта определяли энергию
прорастания:
где Эп – энергия
прорастания, %; Квз – количество взошедших семян, шт.
К – количество семян в варианте, шт.
Через 7 дней в каждом сосуде
срезали и подсчитывали все нормально развитые
побеги и взвешивали с точностью ±0,1 мг. Для
полученных средних значений
определяли
погрешность
S:
где α – отклонение каждого
значения от среднего,
n – количество повторений в данном варианте.
Проявление токсичности считали, если установлено снижение
степени прорастания семян
пшеницы на 20% относительно контрольного опыта.
Энергия прорастания не является надежным
экологическим показателем, т.к. этот показатель используется для проверки качества
семян. Результаты теста свидетельствуют о том, что энергия прорастания не зависела от содержания золы в субстрате и находилась на уровне 92%.
Увеличение содержания золы положительно повлияло на рост растений, при содержании до 15% золы прибавка достигает
24% по отношению к контролю.
Дальнейшее увеличение содержания золы в субстрате оказало отрицательное действие на растения,
вследствие чего высота уменьшилась и при содержании 50% золы, показатель снижается
на 4%.
Аналогичная закономерность выявлена в отношении накопления
массы растений. Она увеличивается при содержании золы в субстрате
до 15%, после чего происходит ее снижение (Табл.3, Рисунок 3).
Достоверное увеличение высоты и массы проростков может
быть обусловлено поступлением в среду питательных элементов, таких как калий, кальций, кремний,
содержащихся в золе,
а также микроэлементов. Снижение показателей при содержании золы более 15% можно
объяснить поступлением тяжелых
металлов (скорее всего железа,
никеля, мышьяка и меди) при выщелачивании, а также изменением кислотности среды.
Таблица 3
Влияние содержания золы в субстрате на прорастание пшеницы
|
№ п/п
|
Содержание золы в субстрате, %
|
Высота проростков, мм
|
Масса проростков, мг
|
|
1
|
0
|
110,95±1,9
|
2200±21,2
|
|
2
|
2
|
126,565±3,8
|
2335±64,6
|
|
3
|
5
|
133,67±5
|
2567,5±64,8
|
|
4
|
10
|
136,56±5,2
|
2666,6±130,9
|
|
5
|
15
|
142,73±2,16
|
2645±35,7
|
|
6
|
20
|
113,95±1,85
|
2305±45,55
|
|
7
|
30
|
98,04±3,5
|
2553,3±84,5
|
|
8
|
50
|
105,13±3,9
|
2192,5±54,37
|
Полученные данные свидетельствуют о том, что при определенных концентрациях зола не токсична
для роста и развития
растений, и даже стимулирует ростовые процессы.
Таким образом, расчетно-экспериментальным методом
установлено, что зола от сжигания шпала относиться к 3 классу
опасности для здоровья
человека и к 4 классу
по отношению к окружающей среде. На основе рентгеновских спектров, выполненных на световом
и растровом электронных микроскопах, выявлено, что зола представляет собой
многокомпонентный агрегат частиц из сплава железа и меди в виде кубиков, чередующихся чешуйчатыми обособлениями слоистых алюмосиликатов – каолинита, монтмориллонита и гидрослюды, с включением зерен кварца и кальцита.
Экологическая безопасность золы подтверждена тест-методом на пшенице.
По массе и высоте проростков пшеницы, не выявлено токсичного действия золы.
Список литературы
1.
Суллейменов С.Т., Борисенко М.И., Тишков
П.А., Луценко В.А.,
Родионова А.А., Горецкая
Е.А., Муратова У.Д. Активизированное цементно-зольное вяжущее и бетон на его основе//
Силикатные строительные материалы.
Сб. трудов.
– НИИстромпроект, Алма-Ата, 1990. – 5-14с.
2.
Критерии отнесения
отходов к классу опасности, утвержденные приказом
МПР России от 15 июня
2001 г.№511
3. Санитарные правила по определению класса опасности токсичных отходов
производства и потребления СП 2.1.7.1386-03 (зарегистрированы в Минюсте 19 июня 2003 года, регистрационный №4755)
4.
Бурак В.Е., Вишневская В.В., Федоренко
Е.А. Экологическая оценка портландцемента и сырья для его производства методом
биотестирования. Вестник: Научно
– технический журнал. – №2. – Т.8. – Санкт- Петербург, МАНЭБ, 2003. – с. 51-54
5.
Доспехов Б.А. Методика
полевого опыта: (С основами статистической обработки результатов исследований). – Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Колос, 1979.
– 416 с.
6.
Журбицкий З.И. Теория
и практика проведения вегетационных опытов. – М.: Наука, 1968.
– 266 с.
