Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
UDC 504.06
The objective of this article is a comprehensive analysis of the impact of metallurgical production on the environment at all technological stages and justification of ways to minimize environmental damage based on the principles of circular economy and "green" metallurgy. The study uses methods of systematic analysis of scientific literature, a comparative assessment of the effectiveness of various processing technologies, including hydro- and pyrometallurgical methods, and mechanochemical activation. It has been established that the negative impact is systemic, manifesting itself at the stages of extraction of raw materials and its metallurgical conversion. A significant resource potential of man-made waste (enrichment tailings, slags, metallurgical dust) has been identified. The high efficiency of innovative technologies, such as leaching with mechanochemical activation, which makes it possible to extract up to 50-80% of lost metals from waste, and complex processing of electric arc furnace dust, has been scientifically substantiated and demonstrated. The results of the work make it possible to form a scientific and methodological basis for the development and implementation of environmental protection measures at metallurgical enterprises. The proposed technological solutions are aimed at reducing the amount of waste being buried, reducing emissions and expanding the mineral resource base through secondary resources, which contributes to improving the environmental and economic sustainability of the industry.
Metallurgical production, circular economy, man-made waste, slag processing, enrichment tailings, leaching, environmental safety
Введение
Ключевая роль металлургии в становлении и развитии человеческой цивилизации неоспорима. Именно с освоением металлов связаны важнейшие технологические прорывы в истории, заложившие основу современного промышленного ландшафта. Однако индустриальная мощь, которую обеспечивает эта отрасль, имеет и обратную, глубоко противоречивую сторону, проявляющуюся в масштабном и зачастую необратимом преобразовании природных систем [1]. Процессы извлечения металла из руды и его последующей переработки сопряжены с образованием значительного количества веществ, поступающих в атмосферу, водные объекты и почву, формируя комплексное негативное воздействие на окружающую среду [2]. Это воздействие носит многокомпонентный характер, начиная от глобальных последствий, таких как выбросы парниковых газов, способствующих изменению климата, и заканчивая локальными трансформациями, когда территории вблизи металлургических гигантов испытывают на себе всю тяжесть производственной деятельности. Воздушный бассейн принимает на себя выбросы взвешенных частиц, оксидов серы и азота, тяжелых металлов. Водные ресурсы истощаются за счет колоссального водопотребления и загрязняются стоками, содержащими растворенные соли, металлы и реагенты. Накопление огромных объемов твердых отходов – шлаков, шламов, – приводит к отчуждению земель и созданию долговременных источников потенциального загрязнения.
Методы
В рамках исследования применялись методы системного анализа научной литературы, сравнительная оценка эффективности различных технологий переработки, включая гидрометаллургические и пирометаллургические методы, а также механохимическую активацию.
Результаты
Воздействие металлургического производства на окружающую среду логично рассматривать, выделяя два основных технологических этапа: первичный, связанный с добычей и подготовкой сырья, и последующий, заключающийся в его металлургической переработке [3]. Начальная стадия, включающая добычу руд и угля, а также их обогащение, задает масштаб антропогенной нагрузки на природные системы, последствия которой часто носят необратимый характер. На этапе добычи и подготовки сырья происходит кардинальное преобразование территории. Создание карьеров и разрезов приводит к полному уничтожению естественных почвенных покровов и растительных сообществ, нарушению гидрологического режима местности и формированию глубоких техногенных ландшафтов [4]. Извлечение и складирование вскрышных пород сопровождается образованием обширных отвалов и хвостохранилищ, которые не только отчуждают значительные земельные площади, но и становятся постоянными источниками пылеобразования и химического загрязнения [5, 6]. С поверхности этих объектов под воздействием ветровой и водной эрозии происходит миграция взвешенных частиц и растворенных соединений тяжелых металлов, загрязняющих прилегающие почвы и водные объекты [7, 8]. Процесс обогащения руды, направленный на повышение содержания полезного компонента, связан с большими объемами водопотребления и образованием жидких отходов, сбрасываемых в хвостохранилища, что создает риски фильтрации и нарушения целостности этих сооружений [9]. Кроме того, дробление и измельчение руды, ее сортировка и транспортировка генерируют значительные выбросы пыли в атмосферный воздух, часто содержащей токсичные элементы, такие как свинец, кадмий и ртуть, которые накапливаются в экосистемах и представляют долговременную опасность [5]. Таким образом, даже до стадии плавки металлургический цикл инициирует масштабные изменения в окружающей среде, характеризующиеся нарушением земель, истощением и загрязнением водных ресурсов, а также химической нагрузкой на атмосферный воздух, что подтверждается исследованиями конкретных предприятий горно-металлургического комплекса [6]. Комплексная оценка этих рисков, как отмечают исследователи, является необходимым первым шагом для разработки эффективных природоохранных стратегий [3].
Ключевое воздействие на окружающую среду формируется на этапе металлургической переработки, который включает плавку, рафинирование и литье. Этот этап характеризуется комплексным негативным влиянием, основные аспекты которого структурированы в Таблице 1.
Таблица 1
Анализ воздействия этапа металлургической переработки на окружающую среду (составлено автором)
|
Направление воздействия |
Характеристика и последствия |
Источник |
|---|---|---|
|
Выбросы в атмосферу |
Выбросы диоксида серы, оксидов азота, оксида углерода, бенз(а)пирена и пыли, содержащей тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, никель, кадмий), приводящие к хронической интоксикации населения и превышению приемлемых уровней риска для здоровья. |
[17], [18] |
|
Образование газопылевой фракции, содержащей природные и техногенные радионуклиды, которая при осаждении загрязняет почву, растительность и грунтовые воды, создавая риск внешнего и внутреннего облучения населения. |
[16] |
|
|
Пыль очистки отходящих газов сталеплавильного производства, являющаяся источником вторичного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. |
[21] |
|
|
Выбросы диоксидов серы и азота, оксида углерода, оказывающие негативное влияние на компоненты сосновых насаждений в зоне влияния завода. |
[17] |
|
|
Образование промышленных отходов |
Накопление шлаков, характеризующихся преобладанием силикатов и алюмосиликатов с включениями ферритных составляющих и остаточным содержанием цветных и тяжелых металлов, что представляет долговременную экологическую угрозу. |
[10], [22] |
|
Образование техногенных месторождений (отвалов, шлаков), оказывающих комплексное негативное воздействие на все компоненты природной среды и требующих переработки или рекультивации. |
[10] |
|
|
Накопление значительных объемов твердых отходов (в том числе шлаков и пыли), ведущее к отчуждению земель, пылению и фильтрации токсичных элементов в почву. |
[11], [19] |
|
|
Образование окалины, использованных фильтров и других специфических отходов I-V классов опасности, требующих строгого учета, паспортизации и передачи аккредитованным организациям для переработки. |
[19] |
|
|
Потребление ресурсов и термальное загрязнение |
Высокое потребление воды, составляющее 15-20% от общего потребления промышленностью страны, и сброс загрязненных сточных вод, содержащих взвешенные частицы, масла, эмульсии и травильные растворы, что нарушает кислородный режим водоемов. |
[11], [12] |
|
Высокое энергопотребление, обуславливающее значительные выбросы парниковых газов и необходимость перехода на наилучшие доступные технологии (НДТ) для повышения энергоэффективности. |
[12], [14] |
|
|
Сброс условно-чистых стоков с повышенной температурой, вызывающий термальное загрязнение водоемов и нарушающий условия существования водных экосистем. |
[11] |
Проведенный анализ наглядно демонстрирует, что этап металлургической переработки создает значительную и многокомпонентную нагрузку на все среды: атмосферу, водные ресурсы и земельные площади. Накопление твердых отходов, в особенности шлаков, формирует долгосрочные источники загрязнения. Это обуславливает острую необходимость в системном переходе к внедрению наилучших доступных технологий, развитию методов утилизации и переработки вторичных ресурсов в рамках концепции циркулярной экономики и «зеленой» металлургии.
Обсуждение
Актуальной тенденцией в развитии металлургической отрасли становится переход к принципам циркулярной экономики и «зеленой» металлургии, что подразумевает разработку и внедрение технологий, направленных на сокращение первичного ресурсопотребления и минимизацию образования отходов. Одним из перспективных направлений является комбинирование традиционных и новых технологий добычи и переработки руд, включая выщелачивание металлов непосредственно в подземных блоках, что позволяет повысить полноту извлечения полезных компонентов [23]. Особое внимание уделяется освоению техногенных месторождений – хвостов обогащения и других металлосодержащих отходов. Исследования демонстрируют эффективность механохимической активации процессов выщелачивания в дезинтеграторах, позволяющей извлекать от 50 до 80% металлов, ранее считавшихся безвозвратно потерянными [24, 26, 28]. Это не только упрочняет минерально-сырьевую базу, но и способствует решению острых экологических проблем горнодобывающих регионов.
Значительный потенциал снижения нагрузки на окружающую среду связан с комплексной переработкой специфических отходов металлургического производства. Например, для пылей электродуговой плавки, содержащих ценные металлы, разрабатываются и совершенствуются как пирометаллургические (например, вельц-процесс), так и более экологически безопасные гидрометаллургические методы, обеспечивающие селективное извлечение целевых компонентов [27]. Применение высококремнистых сплавов системы Al-Si открывает возможности для создания замкнутых производственных циклов в черной металлургии, позволяя многократно перерабатывать материал и снижать объемы образующихся отходов [25]. Современный подход к утилизации техногенных отходов минерально-сырьевого комплекса предполагает их рассмотрение в качестве вторичных ресурсов, вовлечение которых в хозяйственный оборот является основой ресурсосбережения и приносит существенные экономические выгоды [29, 30]. Таким образом, формирование безотходных и малоотходных производственных процессов через внедрение наилучших доступных технологий становится ключевым фактором экологически устойчивого развития металлургии [31].
Многообразие разрабатываемых и внедряемых технологий позволяет систематизировать их по основным направлениям (см. Рис. 1).
Рис. 1. Систематизация методов утилизации и переработки
вторичных ресурсов в металлургии:
1. Гидрометаллургические и комбинированные методы;
2. Пирометаллургические методы; 3. Механохимическая активация;
4. Рециклинг и замкнутые циклы;
5. Комплексная утилизация и использование в строительстве
(составлено автором на основании [23-31])
Проведенный анализ свидетельствует о том, что современное развитие металлургии неразрывно связано с внедрением ресурсосберегающих и экологически ориентированных технологий. Наиболее перспективными являются методы, позволяющие не только снизить текущее негативное воздействие, но и ликвидировать накопленный экологический ущерб за счет вовлечения техногенных отходов в хозяйственный оборот. Комплексный подход, сочетающий гидро- и пирометаллургические процессы с механохимической активацией и созданием замкнутых производственных циклов, формирует основу для перехода к циркулярной экономике в металлургическом комплексе. Дальнейшая работа должна быть направлена на оптимизацию этих технологий, обеспечение их экономической целесообразности и создание необходимой нормативно-правовой базы для стимулирования их широкого промышленного внедрения.
1. A. A. Romanovich, T. N. Orekhova, S. A. Meshcheryakov, V. S. Prokopenko Technology of obtaining mineral additives // Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. - 2015. – No. 5. – pp. 188-192. EDN: https://elibrary.ru/UCKPST
2. T. A. Varenikova, M. A. Smirnova, V. A. Doroganov Corundum lightweight refractories based on hydraulic binders // Bulletin of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. - 2017. – No. 5. – pp. 64-69. DOI: https://doi.org/10.12737/article_590878fad43dc4.32679852; EDN: https://elibrary.ru/YNBNOJ
3. Tursukova I. I., Baymetova M. G. Methodological approach to assessing the effectiveness of a metallurgical enterprise in the context of environmental risks // Economics, entrepreneurship and law. – 2024. – Vol. 14. – No. 3. – pp. 277-288. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.18334/epp.14.2.120551; EDN: https://elibrary.ru/OQFINO
4. Medvedeva I. V., Amirova E. V., Studenok G. A., Tseitlin E. M., Medvedeva O. M. The impact of enterprises of the mining and metallurgical complex of the Sverdlovsk region on the environment and ways to reduce it // Proceedings of the Ural State Mining University. – 2023. – №. 4 (72). – pp. 116-126. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.21440/2307-2091-2023-4-116-126; EDN: https://elibrary.ru/MHARCS
5. Murzin M. A., Tepina M. S. The impact of metallurgical production on the environment // Metallurgist. – 2022. – Vol. 2. – pp. 51-54. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.52351/00260827_2022_02_51; EDN: https://elibrary.ru/FQLIPX
6. Abramenko D. S. Assessment of the impact of metallurgical plants on the environment (on the example of the Ulba Metallurgical Plant) // Interdisciplinary approaches in biology, medicine and Earth sciences: theoretical and applied aspects. - 2023. – pp. 186-189. (In Russian) EDN: https://elibrary.ru/ZVKTEB
7. Paukova Yu.S., Zubareva K. S. Ecological problems of interaction of the metallurgical production complex with the environment] // Quality in production and socio-economic systems. – 2021. pp. 99-103. (In Russian) EDN: https://elibrary.ru/OMCYUO
8. Razmakhnin K. K., Khatkova A. N., Shumilova L. V. Sorption technologies as an instrument of environmental safety of metallurgical production // Metallurgy of non-ferrous, rare and precious metals. – 2022. pp. 287-290. (In Russian) EDN: https://elibrary.ru/EAQDSI
9. Kogdenko V. G., Kazakova N. A. Substantiation of environmental safety parameters and sustainability of metallurgical production development // Forecasting problems. – 2023. – No. 1. – pp. 169-181. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.47711/0868-6351-196-169-181; EDN: https://elibrary.ru/DKALKN
10. Makarov A. B., Talalai A. G., Guman O. M., Khasanova G. G. Technogenic deposits and features of their impact on the natural environment // News of higher educational institutions. Mining Journal. – 2022. – Vol. 3. – pp. 120-129. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.21440/0536-1028-2022-3-120-129; EDN: https://elibrary.ru/UYAITQ
11. Turashev B. M., Ermukhanova S. T. Environmental problems of ferrous metallurgy and methods of its reduction // Endless light in science. – 2025. – No. 28 February ED. – pp. 44-47. (In Russian)
12. Grigorieva E. E., Fifer I. N. The main sources of environmental problems of the metallurgical complex in the Russian Federation and possible ways their solutions // Thermal engineering and computer science in education, science and production (TIM'2022). Yekaterinburg, 2022. – 2022. – pp. 69-74. (In Russian) EDN: https://elibrary.ru/BNHUML
13. Glushkovskaya N. B., Tritenko A.M. Development of metallurgical production on the Kola Peninsula // Historical approach in geography and geoecology. – 2023. pp. 210-215. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.33933/rshu/g1c23-40; EDN: https://elibrary.ru/KEJUNK
14. Fedorova V. S., Malanina O. V. «Green» metallurgy as a method of environmentally friendly production //The environment surrounding a person: natural, man-made, social. - 2021. – pp. 326-330. (In Russian)
15. Yurkevich N. V. et. al. Anthropogenic impact on the environment in the Russian Arctic on the example of the Norilsk industrial region / N. V. Yurkevich, I. N. Yeltsov, V. N. Gureev, N. A. Mazov, N. V. Yurkevich, A.V. Edelev //Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. 2021. Vol. 332. no. 12. pp. 230-249. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2021/12/3207; EDN: https://elibrary.ru/MSWWVD
16. Valuev N. P., Mashintsov E. A., Yudanov P.M. Technogenic effect of radioactive contamination of metal smelting products on the environment and the population // Proceedings of Tula State University. Earth Sciences. – 2021. – №. 1. – pp. 3-13. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.46689/2218-5194-2021-1-1-1-13; EDN: https://elibrary.ru/VZFTQK
17. Sosnovsky E. Ya., Smerdov P. E., Astafiev A.M., Astafieva O. M. The effect of emissions from a metallurgical plant on the components of pine plantations in the heavily affected area // XXV All-Russian Student Scientific and Practical Conference of Nizhnevartovsk State University (Nizhnevartovsk, April 4-5, 2023) / General editor D.A. Pogonyshev. Part 1. Biology. Ecology. Geography. Life Safety. Nizhnevartovsk: NVSU Publishing House, 2023. P. 145. (In Russian) EDN: https://elibrary.ru/PVIRPI
18. Kislitsyna V. V., Surzhikov D.V., Golikov R.A., Korsakova T.G. Assessment the risk to the health of the population of an industrial city from the impact of emissions from a metallurgical enterprise]// Medicine in Kuzbass. – 2022. – Vol. 21. – No. 3. – pp. 75-79. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.24412/2687-0053-2022-3-75-79; EDN: https://elibrary.ru/ZAHHNF
19. Zasseev A. A., Zasseeva L. A. Environmental protection through waste disposal of metallurgical production // Current trends in the development of information technologies in scientific research and applied fields. – 2021. pp. 35-37. (In Russian) EDN: https://elibrary.ru/DAPSLI
20. Nakhichevanskaya N. V., Korotkov V. V., Trukhina G. M., Savelyev S. I. Studying the specifics of the impact of the developed metallurgical industry in the industrial center on public health] // Healthcare of the Russian Federation. – 2022. – Vol. 66. – No. 2. – pp. 152-159. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.47470/0044-197X-2022-66-2-152-159; EDN: https://elibrary.ru/QFVXIE
21. Alieva E. R., Dotsenko N. V. Waste gas purification dust from steelmaking and its impact on the environment // Education. Science. Production. – 2021. – pp. 1366-1369. (In Russian) EDN: https://elibrary.ru/VOWRZU
22. Tleuova S. T., Shingisbayeva Zh. A., Misyuchenko V. M., Altynbek A. Analysis of the environmental impact of metallurgical waste on the environment // Scientific and educational discussions: fundamental and applied research. – 2021. pp. 44-49. (In Russian)
23. Golik V. I., Titova A.V. Strengthening the resource base of metallurgy by combining ore mining technologies // Mining industry. – 2022. – No. 5. – pp. 105-111. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-105-111; EDN: https://elibrary.ru/VEVLSY
24. Golik V. I., Titova A.V. Prospects of increasing the mineral base of non-ferrous metallurgy // Mining industry. – 2024. No. 3. pp. 77-84. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3-77-84; EDN: https://elibrary.ru/WGMTEC
25. Shlyarov V. V., Shlyarova Yu. A., Baschenko L. P., Zagulyaev D. V. Waste reduction and introduction of environmentally safe and efficient production processes using high–silicon alloys of the Al–Si system // News of higher educational institutions. Ferrous Metallurgy. – 2025. – Vol. 68. – No. 3. – pp. 239-247. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.17073/0368-0797-2025-3-239-247; EDN: https://elibrary.ru/BMGYPJ
26. Titova A.V., Golik V. I. Perspektivy uvelicheniya mineral'noj bazy cvetnoj metallurgii // Mining industry. – 2021. – No. 1. – pp. 61-68. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-61-68; EDN: https://elibrary.ru/DHEWGD
27. Toporkova Yu. I., Bludova D., Mamyachenkov S. V., Anisimova O. S. Review of methods for processing electric arc melting dusts // iPolytech Journal. – 2021. – Vol. 25. – №. 5 (160). – pp. 643-680. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-5-643-680; EDN: https://elibrary.ru/KCBXKG
28. Golik V. I., Klyuev R. V., Zyukin D. A., Karlina A. I. Prospects for the return of valuable components of non-ferrous metals lost in the tailings of ore processing // Metallurgist. – 2023. – №. 1. – pp. 92-97. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.52351/00260827_2023_01_92; EDN: https://elibrary.ru/WXOGZH
29. Litvinova T. E., Suchkov D. V. An integrated approach to the disposal of man-made waste from the mineral resource complex // Mining Information and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). - 2022. – No. 6-1. – pp. 331-348. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_61_0_331; EDN: https://elibrary.ru/VWGWFK
30. Lepkov A. S., Lukovtseva A. K. Resource conservation and economic benefits of recycling // Fundamental and applied research of the cooperative sector of the economy. – 2021. – No. 1. – pp. 167-175. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.37984/2076-9288-2021-1-167-175; EDN: https://elibrary.ru/BUPLRM
31. Uleva G. A., Tuyskhan K., Matsugina E. M., Volokitina I. E., Akhmetova G. E. The current state of the problem of industrial waste disposal // News of higher educational institutions. Ferrous Metallurgy. – 2025. – Vol. 68. – No. 2. – pp. 131-138. (In Russian) DOI: https://doi.org/10.17073/0368-0797-2025-2-131-138; EDN: https://elibrary.ru/YRPKUZ
