За годы работы Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК) в результате очистки сточных вод в картах-осадконакопителях накоплено, по приблизительным подсчетам, около 3,5 млн. м3 или, в пересчете на сухое вещество, 250000 т отходов, представляющих собой обводненный шлам-лигнин (ШЛ) [1].
Карты расположены по берегам р. Большая Осиновка на узкой береговой площади между предгорьями хребта Хамар-Дабан и Восточно-Сибирской железной дорогой, проходящей вдоль озера Байкал (см. рис. 1).
Расстояние от озера Байкал карт, расположенных на левом берегу реки, 0,75 км, а на правом – 0,35 км. Для складирования ШЛ используются значительные земельные участки, общая площадь которых составляет более 150 га. Сведения о конфигурации, количестве и размерах накопителей приведены в таблице 1.
Климатические условия региона относительно мягкие. Этот участок южного Прибайкалья входит в так называемую зону «холодных тропиков», где в летний период выпадает большое количество дождей, а в зимний период ложится мощный снежный покров. Общий объем атмосферных осадков – 700 мм/м2 в год, то есть на отстойники (карты) площадью 1362000 м2 их выпадает около 900 тыс. м3 [2].
Рисунок 1 – Карты-осадконакопители
на берегу озера Байкал
Регион находится в сейсмоактивной области Байкальской рифтовой зоны (юг озера Байкал). Расчетная величина возможных землетрясений – от 10 до 11 балов по 12-балльной шкале. За последние 20 лет в городе Байкальске было два сильных землетрясения – в феврале 1999 г. и в августе 2008 г.
Таблица 1 – Сведения о картах-осадконакопителях БЦБК
|
Конфигурация карты |
Количество |
Линейные размеры, м |
|
прямоугольная |
3 |
250×70 |
|
1 |
225×85 |
|
|
1 |
83×64 |
|
|
круглая |
11 |
радиус 26 |
Также стоит отметить, что район расположения обсуждаемого объекта относится к селеопасным территориям [3], при этом с 1902 по 1972 годы селевые паводки прошли 15 раз. Периодичность этих событий составляет около 40 лет, соответственно, следующий сход крупного селевого потока возможен в ближайшие годы.
Термин «лигнин» происходит от латинского слова lignum (дерево) и относится не к индивидуальному веществу, а к группе родственных веществ, обладающих общностью состава, строения и химических свойств. Лигнин является одним из высокомолекулярных компонентов древесины и занимает второе место (после целлюлозы) по распространению на земном шаре среди органических полимерных веществ природного происхождения [4]. Лигнин в составе древесины (в количестве до 30 %) играет роль инкрустирующего материала [5], сравнимого в этом смысле с цементом в железобетоне [6].
Природные лигнины обладают рядом специфических свойств: они легко окисляются, легко взаимодействуют с хлором (что особенно важно при отбелке целлюлозы), обладают способностью растворяться в щелочах при нагревании. Последнее свойство лежит в основе щелочной делигнификации при сульфатном и натронном способах производства целлюлозы.
Основной частью ШЛ является видоизмененный под воздействием активного ила сульфатный лигнин [7], характеризующийся наиболее высокой химической активностью по сравнению с другими техническими лигнинами.
ШЛ, полученный при обезвоживании на центрифуге, представляет собой пастообразный материал черного цвета с влажностью 84–85 % и удельным весом 1,03–1,05 г/см3. Содержание золы 10–20 %, рН = 5,2–6,0.
По данным комбината о содержании микроэлементов и тяжелых металлов в ШЛ после флотации и в золе (продукте его сгорания) составлена таблице 2.
В работе [8] содержатся результаты спектрального анализа структуры ШЛ и его производных. Показано, что ШЛ содержит в своем составе следующие структурные единицы: бензольные кольца, метильные, метиленовые, эфирные и гидроксильные группы. Все эти структурные группы содержатся в природном лигнине [9, 10], что дает основание рассматривать состав ШЛ, в основном, как лигносодержащий.
По результатам исследований, проведенных на комбинате, из ароматических соединений в шламе осадконакопителей преобладают фенол и гваякол. Этот факт может быть объяснен частичной деградацией не только хлорированных соединений, но и самого лигнина при хранении. Промежуточными продуктами метаболизма лигнина могут быть в частности фенолы. Содержание наиболее токсичных хлорароматических соединений (хлорфенолов) снижается по мере хранения ШЛ.
Таблица 2 – Содержание микроэлементови тяжелых металлов в ШЛ и в его золе
|
Элемент |
Концентрация, мг/г |
|
|
ШЛ после флотации |
Зола ШЛ |
|
|
Na |
1,2 |
2 |
|
Al (в виде глинозема) |
65 |
220 |
|
Fe |
3,3 |
13,2 |
|
Mn |
0,6 |
2,2 |
|
Hg |
0,001 |
- |
|
As |
0,006 |
0,011 |
|
Cd |
0,023 |
0,016 |
|
Pb |
0,015 |
0,009 |
|
Sb |
0,0007 |
0,001 |
|
Se |
0,002 |
- |
|
Cr |
0,035 |
0,17 |
|
V |
0,023 |
0,09 |
|
Zn |
0,065 |
0,091 |
|
Co |
0,002 |
0,005 |
|
Mo |
0,12 |
- |
Коагулянты и флокулянты изменяют физическую структуру ШЛ [11]. Добавление поликатионитных флокулянтов или сульфата железа вызывает мгновенную коагуляцию, но вследствие малого удельного веса даже при высоких концентрациях шлам практически не оседает.
Известно, что лигнин относится к химически инертным соединениям, но в процессе трансформации он может служить источником образования веществ, обладающих токсичностью и мутагенной активностью [12]. Влияние лигнинсодержащих соединений – основного компонента ШЛ на окружающую среду связано с их низкой биоразлагаемостью и многонаправленностью химических превращений, вызывающих неоднозначное изменение токсичности и мутагенности [13].
Основную опасность для экосистем представляют высокомолекулярные вещества, обусловливающие цветность, токсичность и мутагенность лигнинсодержащих соединений. Под влиянием ШЛ природная среда, прилегающая к БЦБК, перестраивается в природно-антропогенную. В частности, ежегодно увеличивается пятно органического загрязнения на Байкале, ухудшается качество поверхностных и грунтовых вод.
Одним из наиболее опасных видов техногенных нагрузок, негативно влияющих на состояние окружающей природной среды и создающих серьезную угрозу здоровью населения, являются токсичные отходы. Особую опасность представляют диоксинсодержащие отходы предприятий химической и целлюлозно-бумажной промышленностей [14].
Установлено, что при производстве сульфатной целлюлозы основная масса полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов образуется на стадии щелочного облагораживания в процессе ее отбелки хлором. Большая часть стоков, поступающих из технологических цехов на очистные сооружения, освобождается от диоксинов в системе нейтрализации, отстоя и биологической очистки, и, в конечном счете, сосредотачивается в картах-осадконакопителях. Поэтому, карты-накопители ШЛ являются стационарными очагами диоксинов и концентрируют их наибольшее количество.
В более глубоких слоях шлама диоксинов содержится в 2,5 раза больше, чем на поверхности [14]. Это можно объяснить тем, что под действием прямых ультрафиолетовых лучей солнца в верхних слоях лишь небольшая часть диоксинов разрушается, остальная их масса с атмосферными осадками и сложной смесью органических компонентов проникает в глубинные слои, а в случае недостаточно надежной гидроизоляции – и в грунтовые воды.
Карты-накопители ШЛ вызывают деградацию земель, выражающуюся в ухудшении экологического состояния природных комплексов с постоянным отрицательным воздействием на грунтовые воды и атмосферный воздух, снижении их хозяйственного и эстетического потенциала.
Академик Б.Н. Ласкорин подчеркивал: «… миллиарды рублей, затраченные на охрану водоемов от загрязнений путем очистки сточных вод, не дают должной эффективности, так как сами очистные станции без системы утилизации осадков являются источником вторичных загрязнений биосферы».
