Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 504.06 Охрана окружающей среды. Управление качеством окружающей среды .
Целью данной статьи является комплексный анализ воздействия металлургического производства на окружающую среду на всех технологических этапах и обоснование путей минимизации экологического ущерба на принципах циркулярной экономики и «зеленой» металлургии. В исследовании использованы методы системного анализа научной литературы, сравнительная оценка эффективности различных технологий переработки, включая гидро- и пирометаллургические методы, механохимическую активацию. Установлено, что негативное воздействие носит системный характер, проявляясь на этапах добычи сырья и его металлургического передела. Выявлен значительный ресурсный потенциал техногенных отходов (хвостов обогащения, шлаков, металлургических пылей). Научно обоснована и показана высокая эффективность инновационных технологий, таких как выщелачивание с механохимической активацией, позволяющее извлекать из отходов до 50–80% потерянных металлов, и комплексная переработка пылей электродуговой печи. Результаты работы позволяют сформировать научно-методическую базу для разработки и внедрения природоохранных мероприятий на металлургических предприятиях. Предложенные технологические решения направлены на сокращение объема захораниваемых отходов, снижение выбросов и расширение минерально-сырьевой базы за счет вторичных ресурсов, что способствует повышению экологической и экономической устойчивости отрасли.
металлургическое производство, циркулярная экономика, техногенные отходы, переработка шлаков, хвосты обогащения, выщелачивание, экологическая безопасность
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. Романович А. А., Орехова Т. Н., Мещеряков С. А., Прокопенко В. С. Технология получения минеральных добавок // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 5. С. 188-192. EDN: https://elibrary.ru/UCKPST
2. Вареникова Т. А., Смирнова М. А., Дороганов В. А. Корундовые легковесные огнеупоры на основе гидравлических вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 5. С. 64-69. DOI: https://doi.org/10.12737/article_590878fad43dc4.32679852; EDN: https://elibrary.ru/YNBNOJ
3. Турсукова И. И., Байметова М. Г. Методический подход к оценке эффективности деятельности металлургического предприятия в условиях экологических рисков // Экономика, предпринимательство и право. 2024. Т. 14. №. 3. С. 277-288. DOI: https://doi.org/10.18334/epp.14.2.120551; EDN: https://elibrary.ru/OQFINO
4. Медведева И. В., Амирова Е. В., Студенок Г. А., Цейтлин Е. М., Медведева О. М. Воздействие предприятий горно-металлургического комплекса Свердловской области на окружающую среду и направления его снижения // Известия Уральского государственного горного университета. 2023. №. 4 (72). С. 116-126. DOI: https://doi.org/10.21440/2307-2091-2023-4-116-126; EDN: https://elibrary.ru/MHARCS
5. Мурзин М. А., Тепина М. С. Влияние металлургического производства на состояние окружающей среды // Металлург. 2022. Т. 2. С. 51-54. DOI: https://doi.org/10.52351/00260827_2022_02_51; EDN: https://elibrary.ru/FQLIPX
6. Абраменко Д. С. Оценка влияния металлургических заводов на окружающую среду (на примере Ульбинского металлургического завода) // Междисциплинарные подходы в биологии, медицине и науках о Земле: теоретические и прикладные аспекты. 2023. С. 186-189. EDN: https://elibrary.ru/ZVKTEB
7. Паукова Ю. С., Зубарева К. С. Экологические проблемы взаимодействия металлургического производственного комплекса с окружающей средой // Качество в производственных и социально-экономических системах. 2021. С. 99-103. EDN: https://elibrary.ru/OMCYUO
8. Размахнин К. К., Хатькова А. Н., Шумилова Л. В. Сорбционные технологии как инструмент экологической безопасности металлургического производства // Металлургия цветных, редких и благородных металлов. 2022. С. 287-290. EDN: https://elibrary.ru/EAQDSI
9. Когденко В. Г., Казакова Н. А. Обоснование параметров экологической безопасности и устойчивости развития металлургического производства // Проблемы прогнозирования. 2023. №. 1. С. 169-181. DOI: https://doi.org/10.47711/0868-6351-196-169-181; EDN: https://elibrary.ru/DKALKN
10. Макаров А. Б., Талалай А. Г., Гуман О. М., Хасанова Г. Г. Техногенные месторождения и особенности их воздействия на природную окружающую среду // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2022. Т. 3. С. 120-129. DOI: https://doi.org/10.21440/0536-1028-2022-3-120-129; EDN: https://elibrary.ru/UYAITQ
11. Турашев Б. М., Ермуханова С. Т. Экологические проблемы черной металлургии и методы ее снижения // Endless light in science. 2025. №. 28 февраль ЭН. С. 44-47.
12. Григорьева Е. Е., Файфер И. Н. Основные источники экологических проблем металлургического комплекса в Российской Федерации и возможные пути их решения // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве (ТИМ'2022). Екатеринбург, 2022. 2022. С. 69-74. EDN: https://elibrary.ru/BNHUML
13. Глушковская Н. Б., Тритенко А. М. Развитие металлургического производства на Кольском полуострове // Исторический подход в географии и геоэкологии. 2023. С. 210-215. DOI: https://doi.org/10.33933/rshu/g1c23-40; EDN: https://elibrary.ru/KEJUNK
14. Федорова В. С., Маланина О. В. «Зеленая» металлургия как способ экологически чистого производства // Среда, окружающая человека: природная, техногенная, социальная. 2021. С. 326-330.
15. Юркевич Н. В. И др. Техногенное воздействие на окружающую среду в Российской Арктике на примере Норильского промышленного района / Н. В. Юркевич,. И. Н Ельцов., В. Н. Гуреев, Н. А. Мазов, Н. В. Юркевич, А. В. Еделев // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. №. 12. С. 230-249. DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2021/12/3207; EDN: https://elibrary.ru/MSWWVD
16. Валуев Н. П., Машинцов Е. А., Юданов П. М. Техногенное воздействие радиоактивного загрязнения продуктов плавки металла на окружающую среду и население // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2021. №. 1. С. 3-13. DOI: https://doi.org/10.46689/2218-5194-2021-1-1-1-13; EDN: https://elibrary.ru/VZFTQK
17. Сосновский Е. Я., Смердов П. Е., Астафьев А. М., Астафьева О. М. Влияние выбросов металлургического завода на компоненты сосновых насаждений в зоне сильного поражения // XXV Всероссийская студенческая научно-практическая конференция Нижневартовского государственного университета (г. Нижневартовск, 4-5 апреля 2023 г.) / Под общей ред. Д.А. Погонышева. Ч. 1. Биология. Экология. География. Безопасность жизнедеятельности. Нижневартовск: изд-во НВГУ, 2023. С. 145. EDN: https://elibrary.ru/PVIRPI
18. Кислицына В. В., Суржиков Д.В., Голиков Р.А., Корсакова Т.Г. Оценка риска для здоровья населения промышленного города от влияния выбросов металлургического предприятия // Медицина в Кузбассе. 2022. Т. 21. №. 3. С. 75-79. DOI: https://doi.org/10.24412/2687-0053-2022-3-75-79; EDN: https://elibrary.ru/ZAHHNF
19. Зассеев А. А., Зассеева Л. А. Охрана окружающей среды посредством утилизации отходов металлургического производства // Современные тенденции развития информационных технологий в научных исследованиях и прикладных областях. 2021. С. 35-37. EDN: https://elibrary.ru/DAPSLI
20. Нахичеванская Н. В., Коротков В. В., Трухина Г. М., Савельев С. И. Изучение специфики влияния развитой металлургической промышленности в индустриальном центре на здоровье населения // Здравоохранение Российской Федерации. 2022. Т. 66. №. 2. С. 152-159. DOI: https://doi.org/10.47470/0044-197X-2022-66-2-152-159; EDN: https://elibrary.ru/QFVXIE
21. Алиева Э. Р., Доценко Н. В. Пыль очистки отходящих газов сталеплавильного производства и ее влияние на окружающую среду // Образование. Наука. Производство. 2021. С. 1366-1369. EDN: https://elibrary.ru/VOWRZU
22. Тлеуова С. Т., Шингисбаева Ж. А., Мисюченко В. М., Алтынбек А. Анализ экологического воздействия отходов металлургии на окружающую среду // Научно-образовательные дискуссии: фундаментальные и прикладные исследования. 2021. С. 44-49.
23. Голик В. И., Титова А. В. Упрочнение ресурсной базы металлургии комбинированием технологий добычи руд // Горная промышленность. 2022. №. 5. С. 105-111. DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-105-111; EDN: https://elibrary.ru/VEVLSY
24. Голик В. И., Титова А. В. Перспективы увеличения минеральной базы цветной металлургии // Горная промышленность. 2024. №. 3. С. 77-84. DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-3-77-84; EDN: https://elibrary.ru/WGMTEC
25. Шляров В. В., Шлярова Ю. А., Бащенко Л. П., Загуляев Д. В. Уменьшение количества отходов и внедрение экологически безопасных и эффективных производственных процессов при использовании высококремнистых сплавов системы Al–Si // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2025. Т. 68. №. 3. С. 239-247. DOI: https://doi.org/10.17073/0368-0797-2025-3-239-247; EDN: https://elibrary.ru/BMGYPJ
26. Титова А. В., Голик В. И. Перспективы увеличения минеральной базы цветной металлургии // Горная промышленность. 2021. №. 1. С. 61-68. DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2021-1-61-68; EDN: https://elibrary.ru/DHEWGD
27. Топоркова Ю. И., Блудова Д., Мамяченков С. В., Анисимова О. С. Обзор методов переработки пылей электродуговой плавки // iPolytech Journal. 2021. Т. 25. №. 5 (160). С. 643-680. DOI: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-5-643-680; EDN: https://elibrary.ru/KCBXKG
28. Голик В. И., Клюев Р. В., Зюкин Д. А., Карлина А. И. Перспективы возвращения потерянных в хвостах переработки руд ценных компонентов цветных металлов // Металлург. 2023. №. 1. С. 92-97. DOI: https://doi.org/10.52351/00260827_2023_01_92; EDN: https://elibrary.ru/WXOGZH
29. Литвинова Т. Е., Сучков Д. В. Комплексный подход к утилизации техногенных отходов минеральносырьевого комплекса // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2022. №. 6-1. С. 331-348. DOI: https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_61_0_331; EDN: https://elibrary.ru/VWGWFK
30. Лепков А. С., Луковцева А. К. Ресурсосбережение и экономические выгоды вторичной переработки // Фундаментальные и прикладные исследования кооперативного сектора экономики. 2021. №. 1. С. 167-175. DOI: https://doi.org/10.37984/2076-9288-2021-1-167-175; EDN: https://elibrary.ru/BUPLRM
31. Ульева Г. А., Туысхан К., Мацугина Е. М., Волокитина И. Е., Ахметова Г. Е. Современное состояние проблемы утилизации отходов производства // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2025. Т. 68. №. 2. С. 131-138. DOI: https://doi.org/10.17073/0368-0797-2025-2-131-138; EDN: https://elibrary.ru/YRPKUZ
