АННОТИРОВАННЫЙ ОТЧЕТ ПО ПРОЕКТУ
Соглашение №14.A18.21.1896 от 04.10.2012 г. (c учетом дополнительного соглашения № 1 от 18.03.2013 г.)
Тема: «Современное экологическое состояние промышленных зон угледобычи Приморского края и прогноз возможных неблагоприятных изменений природной и техногенной среды».
Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ).
Ключевые слова: мониторинг, прогноз, ликвидированные угольные шахты, шахтные воды, золоотвалы, техногенная трансформация почв.
- Цель проекта
1.1. Формулировка задачи / проблемы, на решение которой направлен реализованный проект (2-3 предложения). В соответствии с прогнозом Мирового энергетического агентства из-за возрастающих потребностей стран всего мира в доступной энергии, а также из-за наличия достаточных запасов, уголь продолжает оставаться очень привлекательным видом топлива на обозримое будущее. В связи с этим прогнозом, разработка фундаментальных и прикладных вопросов антропогенного почвоведения остается актуальнейшей проблемой. Техногенное воздействие на почвенный покров и сопредельные среды, в частности, на природные воды, является неизбежным при разработке полезных ископаемых. Проблема мониторинга и прогнозирования последствий изменения природной среды в районах угольных разработок подразумевает повышение уровня безопасности функционирования угледобывающих предприятий и снижение их вредного воздействия на окружающую среду.
1.2. Формулировка цели реализованного проекта, места и роли результатов проекта в решении задачи / проблемы, сформулированной в п. 1.1 (2-3 предложения).
Цель проекта предусматривает анализ техногенного воздействия предприятий угольной промышленности на окружающую среду и определение научно обоснованных показателей для предотвращения неблагоприятных экологических последствий. Полученные в ходе реализации проекта данные по физико-механическим, противоэрозионным, химическим, минералогическим свойствам почв и гидрохимическим показателям техногенных и природных вод позволили разработать комплекс диагностических показателей, направленных на определение степени трансформации почв и вод, составить прогнозные модели изменения уровня их загрязнения и разработать почвенно-экологическую программу по организации и проведению локального экологического мониторинга. Результаты исследований включены в разработку учебно-методических комплексов дисциплин ДВФУ.
- Основные результаты проекта
2.1. Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности, характеристики созданной научной продукции)/ Указание основных характеристик созданной научной продукции (при наличии научной продукции).
Проведенные полевые исследования показали, что в восьми обследованных промышленных зонах угледобычи Приморского края трансформация свойств почв зависит от особенностей формирования техногенного ландшафта, это влечет за собой существенные изменения в составе сопредельных сред, главными из которых являются природные воды промышленной зоны. В процессе закрытия шахт образуется очаг загрязнения, представляющий собой техногенные подземные воды (шахтные), сосредоточенные в нарушенном горном массиве. При обследовании наблюдается несколько мест разгрузки загрязненных шахтных вод через ликвидированные горные выработки. Фоновые воды рек, протекающих в пределах промышленных зон, характеризуются повышенным содержанием железа, свинца, цинка, марганца и хрома шестивалентного, а также высокими значениями окисляемости.
Для шахтных вод характерным является повышенная минерализация, а также содержание гидрокарбонат-ионов и ионов натрия по сравнению с природными, как поверхностными, так и подземными водами. Отличия химического состава вод ликвидированных угольных шахт связаны с влиянием отвала горных пород, природно-климатическими условиями, особенностями рельефа. Сезонная динамика связана с изменчивостью поступления осадков.
Превышение ПДК в шахтных и карьерных водах наблюдается по таким компонентам, как натрий, магний, железо, цинк, медь, марганец и хром шестивалентный. В отдельных пробах превышение ПДК отмечалось по фенолам, нефтепродуктам, аммонийному азоту и свинцу. Однократные превышения ПДК фиксировались для сульфатов и ртути. Подъем уровня шахтных вод существенно сказался на качестве воды аллювиального водоносного горизонта и, как следствие, на качестве воды источников нецентрализованного водоснабжения.
Показано, что шахтные воды трансформируют состав водных вытяжек почв, отобранных в промышленных зонах ликвидированных угольных шахт. Установлена тесная корреляционная зависимость между химическим составом шахтных вод и составом почвенного раствора по отдельным показателям. Для целей диагностики степени трансформации почв была разработана система рангов, показывающая качественные изменения свойств почв под действием техногенных вод. Предложено использовать такие показатели, как – содержание органического вещества, фракции ила и физической глины, содержание кальция, магния, натрия в ППК почвы, актуальная кислотность.
При техногенной трансформации почвы увеличивается степень ее гидроморфизма, происходит турбирование горизонтов, минерализованные шахтные воды обусловливают смену коагуляционного типа структурных связей на смешанный коагуляционно-кристаллизационный тип. Увеличивается потенциальная способность к оструктуриванию верхней и средней частей профиля. За счет привноса дополнительных солей и образования химических связей текучепластичная консистенция фоновых почв трансформируется в мягкопластичную и полутвердую. Особенностью является образование горизонтов, обладающих пластифицированно-коагуляционной структурой с текучей и мягкопластичной консистенцией. Превышение ПДК в почвах рассматриваемой территории наблюдается по таким показателям как: мышьяк, кобальт, никель и свинец.
Отвалы вскрышных пород не содержат повышенных концентраций тяжелых металлов. По своим свойствам материал ТПО угольных отвалов и терриконов характеризуется повышенной щелочностью. По содержанию физической глины литостраты месторождений Приморского края можно условно подразделить на две группы – литостраты оглиненные (Шкотово и Тавричанка – 55-65%) и опесчаненные – все остальные. Агрегирование частиц эродированных литостратов и артииндустратов происходит слабо. Выявлено влияние отвала горных пород на почвы. Установлено, что происходит техногенный вынос веществ из отвалов горных пород, вызывающий преобразование химического состава почвы и его физико-механических свойств.
Эффективность рекультивационных работ, проведенных на участках с посадками сосны невысока, и свойства техногенно-поверхностных образований мало чем отличаются от таковых, на самозарастающих пространствах. Для восстановления почвенного покрова, характерного для лесных ландшафтов Приморского края сорока лет недостаточно.
Обоснована эффективность применения местных материалов в качестве сорбентов. Сравнение значений адсорбционной ёмкости и водопоглощения природных и модифицированных адсорбентов показало, что в результате гидрофобизации происходит значительное увеличение адсорбционной ёмкости и снижение водопоглощения модифицированных образцов. Наибольшую ёмкость имеют вспученный гидрофобизированный перлит (1,93 г/г) при водопоглощении 12,50 % и вспученный гидрофобизированный аргиллит (0,49 г/г) при водопоглощении 11,11 %.
Показана эффективность применения полученных органоминеральных адсорбентов для очистки поверхности воды от загрязнения. Установлено, что при адсорбции на образце аргиллита АрВ-1145-10-Гф адсорбционное насыщение достигается в течение 80 мин. При этом степень очистки составляет 97,17 %. При адсорбции на образце перлита ПВ-1050-30-Гф адсорбционное насыщение достигается в течение 240 мин. При этом степень очистки составляет 98,40 %.
При очистке шахтных вод в динамическом режиме установлено, что применение вспученного гидрофобизированного аргиллита даёт наилучшие результаты при извлечении из воды легкоокисляемых органических соединений. Применение вспученного гидрофобизированного перлита также целесообразно для удаления из воды органических соединений и железа.
Проведена оптимизация процесса фильтрации и рассчитаны параметры фильтра для очистки шахтных вод ликвидированной шахты «Глубокая» (Партизанское месторождение) с применением в качестве фильтрующей загрузки вспученного гидрофобизированного перлита.
2.2. Описание новизны научных результатов.
Впервые в Приморском крае проведена комплексная экологическая оценка почвенного покрова 8 промышленных зон угледобычи открытым и шахтным способами, находящихся в посттехногенном состоянии после ликвидации угольных предприятий. Разработаны прогнозные модели возможного загрязнения почв шахтными и карьерными водами. Впервые диагностировано явление «забучивания» почв, наблюдаемое в местах выхода шахтных вод на земную поверхность. Специфика этого явления заключается в выносе большого количества коллоидов и токсичных веществ, которая приводит к трансформации и загрязнению почвенного покрова и природных вод. Разработаны физико-химические основы технологии получения новых гидрофобных адсорбентов на основе природных алюмосиликатов (аргиллита и перлита) методами их термической (вспучивание) и термохимической (гидрофобизация в газовой среде) модификации; изучены физико-химические (адсорбционные) и функциональные свойства полученных органоминеральных гидрофобных адсорбентов. Впервые исследован процесс гидрофобизации природных и вспученных алюмосиликатов в газовой среде углеводородных соединений. Проведённые физико-химические исследования легли в основу технологического процесса получения органоминеральных гидрофобных адсорбентов на базе природного сырья (алюмосиликатов) для очистки вод от загрязнения. Полученные в процессе работы результаты позволяют рекомендовать гидрофобные адсорбенты в качестве загрузки фильтров при очистке вод.
2.3.Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового уровня.
В настоящее время проблема охраны окружающей среды при разработке полезных ископаемых является международной. Экологический аудит многих горных предприятий проводится интернациональными компаниями, такими как SRK Consulting и др., что позволяет применять самые новейшие разработки, методики и нормативы. В последние годы резко ужесточились экологические требования к качеству разрабатываемых проектов, как к разработке полезных ископаемых, так и к реабилитации территории при их ликвидации.
Согласно прогнозам американских исследователей (Dellantonio A., and W.J. Fitz. Disposal of coal combustion residues in terrestrial systems: contamination and risk management // J. Environ. Qual. - 2010. -№ 39. - pp. 761-7751), потребление угля в мире резко увеличится с 5400 млн. т в 2003 г. до 10600 млн. т к 2030 г., что связано с быстро растущими экономиками Индии и Китая. В России доля потребления угля в качестве топлива ТЭЦ увеличится до 34-36 % (Энергетическая стратегия России до 2020 г.). В долгосрочной программе развития угольной промышленности до 2030 г. предполагается довести минимальный объем добычи угля до 380-430 млн. т. В связи с этим, при открытых способах разработки угольных месторождений будут активно отчуждаться земли от сельскохозяйственного использования. Негативный характер этого процесса отражен в работах не только российских исследователей, но и зарубежных, особенно стран, где ведутся или планируются углеразработки открытым способом (Ristovic, M.I., et al.: Recultivation and Sustainable Development of Coal Mining in Kolubara Basin // THERMAL SCIENCE, 2010, vol. 14, N 3, pp. 759-772).
Во всем мире нерентабельные шахты массово ликвидируются, что связано с выходом «агрессивных» шахтных вод на поверхность. Проблема выхода шахтных вод на дневную поверхность актуальна как для России, так и для США (Tabak H.H., Scharp R., Burckle J., Kawahara F.K., Govind R. Advances in biotreatment of acid mine drainage and biorecovery of metals: 1. Metal precipitation for recovery and recycle // Biodegradation. 2003. № 14. P. 423-436), Англии (Kevin B Hallberg, Johr D. Barrier. Passive mine water treatment at the former Wheal Jane tin mine, Cornwall: important biogeochemical and microbiological lessons // Land Contam. and Reclam. 2003. V. 11, № 2. С. 213–220) и других стран.
Основные направления, по которым ведутся исследования при ликвидации шахт, - это методические и технологические разработки, направленные на снижение «агрессивности» самых вод. В литературе предлагаются разнообразные методы и схемы очистки шахтных вод (Sheila B. Banks. The Coal Authority Minewater Treatment Programme: an update on the performance of operational schemes // National Conference "Mine Water Treatment: a Decade of Progress". 2003. V. 11, № 2. С. 161–164).
В связи с ограниченностью водных ресурсов во всем мире важным направлением остается поиск сорбентов для очистки техногенных вод (Klipfel A., Founti M., Zähringer K., Martin J.P., Petit J.P. Numerical simulation and experimental validation of the turbulent combustion and perlite expansion processes in an industrial perlite expansion furnace // Flow, turbulence and combustion. – 1998. – Vol. 60. – P. 283–300.; Teas Ch., Kalligeros S., Zanikos F., Stournas S., Lois E., Anastopoulos G. Investigation of the effectiveness of absorbent materials in oil spills clean up // Desalination. – 2001. – Vol. 140, N 3. – P. 259–264.).
Данный проект выполнен с учетом современных подходов и требований к разработке почвенно-экологических программ для районов угледобычи.
- Назначение и область применения результатов проекта
3.1. Описание областей применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут или уже используются полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).
Результаты данного проекта могут служить основой для гармонизации норм российского и международного экологического законодательства. Развитие системы экологического аудита применительно к организациям всех форм собственности, осуществляющим хозяйственную деятельность в угольной отрасли, позволит эффективному внедрению новых экологически чистых технологий использования угля и проведению рекультивации нарушенных земель. А также служить основой для разработки программ защиты населения от последствий неблагоприятной экологической обстановки в промышленных зонах.
3.2. Перспективы практического применения и коммерциализации результатов проекта
Коммерциализация проекта не предусмотрена
3.2.1. Описание направлений практического внедрения полученных результатов или перспектив их использования.
3.2.2. Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; на разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
3.2.3. Описание ожидаемых социально-экономических и др. эффектов от использования товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов (повышение производительности труда, снижение материало- и энергоёмкости производства, уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду, снижение риска смертности, повышение качества жизни и т.п.).
3.2.4. Описание существующих или возможных форм коммерциализации полученных результатов: организация производства продукции и/или оказание услуг, в том числе с образованием нового юридического лица или без него; заключение лицензионных договоров, заключение договоров уступки прав на РИД. Либо указывается: «Коммерциализация проектом не предусмотрена».
3.2.5. Описание видов новой и усовершенствованной продукции (услуги), которые могут быть созданы или уже созданы на основе полученных результатов интеллектуальной деятельности (РИД); указание предполагаемых или фактических рынков сбыта.
- Перспективы развития исследований
Краткая информация о перспективах развития выполненного в ходе выполнения проекта исследования.
1) Информация о том, насколько участие в ФЦП способствовало формированию новых исследовательских партнерств. Участвует ли научный коллектив в проектах по 7-й рамочной Программе Евросоюза (с указанием названия проектов и перечня партнеров по ним).
Участие в ФЦП способствовало формированию партнерства с научными коллективами российских университетов (ТОГУ, г. Хабаровск) и научных институтов (Геологический институт ДВО РАН, Институт химии ДВО РАН, Горный институт ДВО РАН, УрО РАН). В проектах по 7-й рамочной Программе Евросоюза научный коллектив не участвовал. В 2013 г. материалы проекта были представлены на обсуждение на двух международных конференциях с участием представителей зарубежных университетов и научно-исследовательских центров – Institute of Chemical Industry of Forest Products, Chinese Academy of Forestry (CAF), Inner Mongolia University, Cascade CleanEnergy MITCNC sci.&Tech.comm; Beijing Normal University; Muroran Institute of Technology (CEDAR); Hebei United University; China University of Geosciences; Center for Mine Closure and Reclamation; Hong Kong Industrial Technology Research Centre.
2) Краткая информация о проектах научного коллектива по аналогичной тематике.
Проект 12-II-0-06-007 Сравнительная характеристика техногенного загрязнения почвенно-растительного покрова в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа (1957 г.) и в Дальневосточном регионе, приближенном к аварийной АЭС в Японии (Фукусима, 2011 г.) 2011-2013
Проект 12-III-В-04-054 Исследование закономерностей процесса гидрофобизации поверхности природных алюмосиликатов Дальнего Востока
Проект Президиум ДВО РАН 11-ИНП-07 «Исследование и практическая реализация технологического процесса консервации археологического металла» 2011–2013
Проект РФФИ 11-03-98521-р_восток_а «Расчётно-экспериментальные исследования и разработка технологии получения композиционных органо-минеральных адсорбентов на основе природных алюмосиликатов Дальневосточного региона» 2011–2013
Проект Президиум ДВО РАН 12-III-В-04-054 Исследование закономерностей процесса гидрофобизации поверхности природных алюмосиликатов Дальнего Востока» 2012
Проект Президиум ДВО РАН 13-III-В-04-064 «Исследование сорбционных и эксплуатационных свойств вспученного гидрофобизированного перлита месторождений Дальнего Востока России в динамических условиях» 2013
Проект Президиум ДВО РАН 13-НТП I-08 «Разработка и практическая реализация технологического процесса получения гидрофобно-модифицированного вермикулита для очистки акваторий от аварийных разливов нефтепродуктов» 2013–2014
Strengthening the Lifelong Learning in Environmental Sciences in Russia, STREAM,
№ 530397 – TEMPUS-1-2012-1-SK-TEMPUS-SHMES
3) Информация о том, сотрудничество с какими странами и исследовательскими центрами может способствовать наибольшей отдаче для развития в России технологий в области исследования, а также для выхода российской продукции на региональные и глобальные рынки.
Сотрудничество с Канадой и странами Скандинавии может привести к максимальной отдачи для развития России результатов исследований вследствие сходства их природно-климатических условий. Перспективным может являться сотрудничество с Китаем как одной из наиболее крупных и развивающихся стран Азиатско-Тихоокеанского региона. Ужесточение контроля соблюдения экологических требований при реализации инвестиционных проектов и текущей эксплуатации объектов угольной промышленности, разработка и внедрение мировых экологических стандартов позволит активизировать производственный потенциал топливно-энергетического комплекса Дальнего Востока.
Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий
Закреплены следующие специалисты:
Барышева Валентина Сергеевна, 03.09.1991 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Боровикова Светлана Владимировна, 03.09.1989 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Васькина Юлия Алексеевна, 19.08.1991 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Грущакова Наталья Валерьевна, 14.02.1990 года рождения, принята на работу инженером в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Губарь Влада Николаевна, 05.08.1991 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Ковшун Анастасия Александровна, 05.02.1986 года рождения, принята на работу инженером в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Кондратьева Анастасия Александровна, 01.03.1991 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Кривошеева Екатерина Владимировна, 03.12.1989 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Меньшенина Виктория Владимировна, 06.05.1991 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Мызгин Александр Вячеславович, 26.10.1987 года рождения, принят на работу инженером в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Нестеренко Олеся Евгеньевна, 16.07.1992 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Перфильев Александр Владимирович, 03.03.1984 года рождения, принят на работу научным сотрудником в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Савенкова Екатерина Михайловна, 27.11.1986 года рождения, принята на работу инженером в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Серова Татьяна Викторовна, 26.07.1992 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Сидорова Дарья Владимировна, 02.08.1992 года рождения, принята на работу лаборантом в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Шкуратов Антон Леонидович, 09.02.1987 года рождения, принят на работу инженером в Департамент научной и инновационной деятельности Исполнителя
Руководитель проекта – Назаркина А.В.