Говорить об опасности хвостохранилищ отходов горнорудной промышленности начали лишь в 1970-х годах. Именно тогда обнаружилось, что население примыкающих к отвалам поселков страдает неизвестными заболеваниями. Потом ученые доказали, что это — воздействие легкоподвижных форм тяжелых металлов: свинца, цинка, меди. Трагизм ситуации заключался в том, что с начала XX века горнорудная промышленность бурно развивалась благодаря появлению метода флотации (способ обогащения полезных ископаемых), горнодобывающие предприятия практически всегда были градообразующими, вокруг них росли рабочие поселки, а отвалы производства складировались там же в удобных местах, часто в руслах рек. Так происходило повсеместно, не только в нашей стране. Хвостохранилища оказались в черте городов, более полувека никто и не думал о вредоносных флюидах.
С конца 1970-х годов стали искать способы вторичной переработки отходов горно-обогатительных комбинатов: иногда там оставалось до 50% металлсодержащих сульфидов. Собственно говоря, они и давали потом картину кислотного дренажа (истечение воды с окислами металлов) и ветрового рассеяния пыли. Исследователи давно установили высокие концентрации токсичных элементов в шахтных водах и дренажных потоках. Но ситуация оказалась еще опаснее — это удалось доказать в ходе реализации поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований проекта «Техногенные флюиды: происхождение, состав, миграционные способности», выполненного учеными Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН (ИНГГ СО РАН).
Вулканический метод
— Мы исследовали практически неизученное явление — перенос химических элементов парогазовыми потоками в низкотемпературных условиях окружающей среды, — рассказывает руководитель проекта, заведующая лабораторией ИНГГ СО РАН доктор геолого-минералогических наук Светлана Бортникова. — Понятно, что отвалы выделяют флюиды, но каков их состав? Мы попытались их уловить, пригодился опыт работы на вулканах: там элементный состав газов фумарол определяется путем анализа собранных конденсатов. Но на фумаролах и газовых струях мы имеем дело с высокотемпературными процессами, когда конденсаты собираются в охлаждаемый водой или снегом барботер. В низкотемпературных условиях хвостохранилищ коллеги из Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова предложили использовать другой метод — конденсаты собирались с помощью специально разработанной схемы с холодильником Пельтье. Внешне это устройство выглядит таким образом: перевернутая бочка, в дно которой вставлен охлаждающий элемент с вентилятором, устанавливается на поверхность хвостохранилища, и внутри нее на холодном металлическом стержне, закрытом пластиком, начинают собираться капельки конденсата, стекающего затем в поставленную пробирку. Для анализа на содержание элементов достаточно небольшой порции конденсата, всего двух миллилитров. В течение дня можно собрать необходимый объем, а современные аналитические технологии позволяют определить состав. Таким образом были обследованы хвостохранилища барит-полиметаллических, золотых, арсенидных руд, и за время выполнения проекта собран представительный набор проб. Когда мы впервые получили состав конденсата, были ошарашены: так много элементов там определялось. Барий, цинк, мышьяк, ртуть, редкоземельные элементы, даже изредка встречались металлы платиновой группы.
До сих пор считалось, что многие из обнаруженных элементов геохимически инертны, то есть не переносятся в парогазовых потоках, а распространяются только в аэрозолях частицами не менее 3 нанометров. Поэтому для подтверждения полученных результатов сибирякам пришлось ставить эксперимент.
— В нашей работе один в поле не воин, и с помощью коллег из Института химической кинетики и горения СО РАН мы проверили транспортировку элементов в парогазовом потоке с использованием диффузного дифрактометра аэрозолей, разработанного в этом институте, — продолжает Светлана Бортникова. — Эксперимент позволил установить: аэрозольные частицы размером 3 и более нанометров в потоке отсутствуют. Следовательно, вышеупомянутые токсичные вещества способны мигрировать в летучих формах и распространяться на достаточно большие территории. При анализе основного состава конденсатов, выделенных хвостохранилищами, мы обнаружили ацетаты и формиаты — типичные продукты жизнедеятельности бактерий. И предположили, что образование летучих форм металлов, считавшихся геохимически инертными, происходит при участии бактериального сообщества: штаммы, присутствующие в отвалах, взаимодействуют с веществом отходов, и в воздух поступают ядовитые вещества вкупе с органическими соединениями. А их отравляющую силу позволил показать другой эксперимент.
Смертельный вдох
В содружестве с Новосибирским научно-исследовательским институтом гигиены Роспотребнадзора и лабораторией гидрогеохимии Томского политехнического университета команда проекта установила, что непродолжительное воздействие парогазовых эманаций арсенидных отходов вызвало у подопытных животных патологические изменения в организме.
Эксперимент провели по всем правилам Европейской конвенции по защите позвоночных животных на белых крысах-самцах линии Wistar массой 250-280 граммов. Животных содержали в условиях лабораторного вивария по 10 особей в полипропиленовых клетках, накрытых сверху высокой металлической решеткой, не менее двух недель до начала экспериментов на стандартной диете, при свободном доступе к воде и нормальном световом режиме. В процессе эксперимента крыс помещали в стеклянную камеру, под которой подогревались отходы Хову-Аксинского хранилища (Республика Тыва). Лабораторным животным было достаточно три дня подышать парами отходов комбината «Тувакобальт», чтобы получить признаки цирроза печени, точечные кровоизлияния в мозг и легкие. При вскрытии у всех 10 лабораторных животных обнаружились патологические изменения. Элементный анализ показал серьезное накопление во внутренних органах подопытных крыс кобальта, цинка, никеля, ртути и мышьяка. Полученные результаты свидетельствуют об остром токсическом эффекте парогазовых эманаций вещества отходов, высокой биодоступности летучих форм элементов, быстром проникновении их в органы живых организмов и накапливании за счет биогенных компонентов.
— Наиболее характерные элементы, превышение по которым зафиксировано в большинстве случаев, — это ртуть и мышьяк. Они неравномерно распределялись по органам. Ртуть главным образом накапливалась в легких, почках и печени, а мышьяк — преимущественно в печени и мозге, — подчеркивает руководитель проекта. — Эксперимент позволил доказать, что перенос элементов тяжелых металлов возможен не только в виде пыли, и установить, насколько токсичны парогазовые потоки с включениями эманаций хвостохранилищ.
Металлический дождь
Жителям Новосибирской области повезло — на территории региона нет хвостохранилищ горнорудной промышленности. В ходе проекта РФФИ были организованы три экспедиции (в 2020-м, 2021-м и 2022 годах). Полевые работы проводились на хвостохранилищах и отвалах Кемеровской области (Урской и Белоключевской отвалы в пос. Урск; хвостохранилищах Салаирского горно-обогатительного комбината, г. Салаир; Беловском отвале клинкеров, г. Белово; Комсомольском хвостохранилище, пос. Комсомольск) и в Республике Тыва (карты захоронения комбината «Тувакобальт», пос. Хову-Аксы).
Кузбасс богат рудниками и горно-обогатительными предприятиями и, соответственно, страдает от последствий, — рассказывает С.Бортникова. — В городе Салаир, например, целых три хвостохранилища. Самое старое — Талмовские Пески — расположено в русле реки, второе — в самом городе, третье, с более современными инженерными сооружениями, — на горе над городом. В поселке Урск в 1930-е годы разрабатывали колчеданно-полиметаллические месторождения, а отходы складировали в виде отвалов. Эти хранилища до сих пор дают кислотный дренаж с очень высоким содержанием токсичных химических элементов и остаются источником серо-, селен-, азотсодержащих газов. Мы попытались определить состав техногенных флюидов. В лаборатории термобарогеохимии Института геологии и минералогии СО РАН разработан уникальный способ определения состава флюидных включений. Подчеркну, что хвостохранилище в 30 миллионов тонн — это уже новое геологическое тело, но техногенное, где процессы идут несравненно быстрее.
В итоге было установлено, что в теле отходов содержится длинный список углеводородов, органических соединений, серосодержащих газов, а Хову-Аксинское хвостохранилище в газовой фазе выделяет еще и арсин — арсенид водорода, содержащий мышьяк в трехвалентной, наиболее токсичной, форме. В общем, можно утверждать, что техногенный флюид — продукт множественных неорганических реакций и биотических взаимодействий — представляет собой сложную смесь агрессивных веществ, которые внутри тела отвалов быстро трансформируются, а в окружающей хранилища среде образуют обширные контрастные аномалии. Сложные, но интересные процессы, которые, к сожалению, напрямую влияют на жизнь и здоровье людей, причем не только в близлежащих поселках, но и на удаленных территориях.
— Помимо конденсатов мы анализировали дождевую воду, — добавляет Светлана Бортникова. — Причем дождь собирали порциями, с небольшими интервалами во времени. И выяснилось, что в первой порции дождя, выпадающего в окрестностях хвостохранилищ, концентрация вредных элементов очень высокая. Но постепенно эти летучие формы вымывались из атмосферы, и спустя 3 часа дождливой погоды концентрации элементов становились ниже почти на порядок. После периода сухой погоды следующий дождь опять содержал их повышенные количества. Следовательно, поступая в приземный слой атмосферы, газовые потоки, выносящие многие элементы, образуют обширные аномалии в воздухе, что мы и обнаружили при анализе последовательных порций дождя. Проще говоря, пары от отходов поднимаются в атмосферу и вымываются оттуда на поверхность Земли.
Светлана Борисовна гордится молодежной командой проекта. Наталия Юркевич, Ольга Саева, Алексей Еделев, Татьяна Корнеева, Наталья Абросимова уже растят своих учеников. Коллектив междисциплинарный — геологи и химики. Недавно, например, к исследованиям присоединился Сергей Волынкин из Института неорганической химии СО РАН.
— Честно говоря, не понимаю, когда ругают молодежь. У меня другой опыт, — улыбается Светлана Борисовна. — Новосибирский государственный университет готовит прекрасные кадры. А уже в нашей лаборатории рафинированные химики, выпускники факультета естественных наук НГУ, привыкшие к стерильным пробиркам, вырастают в суровых «полевиков». Коллектив у нас замечательный: работоспособные, трудолюбивые молодые ученые, горящие желанием узнавать новое, с хорошими амбициями в плане выстраивания карьеры. Когда у них что-то получается, меня это безумно радует!
Отдельно хочу отметить роль Российского фонда фундаментальных исследований. Мы выполняли этот проект с некоторой грустью, понимая, что он — последний. А ведь Фонд был нашим строгим, но справедливым другом с 1990-х годов. Скольким коллективам он помог в те тяжелые годы! Сколько ученых выросло с помощью его грантов — от аспирантов до докторов наук! За примерами далеко ходить не надо: в нашей команде это Наталия Юркевич, она только что написала докторскую диссертацию, готовится к защите. Я долгие годы была экспертом РФФИ и со знанием дела могу сказать, какие великолепные результаты были получены в ходе реализации разноплановых проектов фонда.
Результаты проекта «Техногенные флюиды: происхождение, состав, миграционные способности» тоже могли бы обрадовать, когда бы они ни были так печальны. Судите сами: всего за три года ученые доказали возможность миграции широкого круга элементов в истинном парогазовом потоке, установили их высокую токсичность, проанализировали состав техногенных флюидов, способы переноса и осаждения летучих форм металлов и мышьяка. Даже в рекультивированных почвах Хову-Аксинского хвостохранилища концентрация ряда элементов, в особенности мышьяка, превышает предельно допустимые нормы. И после реализации проекта РФФИ еще острее стал вопрос: что же делать с хвостохранилищами горнорудной промышленности, которыми столь «богата» сибирская земля?
Ольга Колесова
На снимке: электротомография на хвостохранилище
Фотоснимки предоставлены С.Бортниковой
Нет комментариев