"Говоря о сланцевой энергетике, обычно фокусируются только на выбросах CO₂ и климатической нейтральности. Гораздо меньше внимания уделяется побочным продуктам сжигания, прежде всего золе, которую следовало бы больше ценить", – отметила автор диссертации, младший научный сотрудник Таллиннского технического университета Мари-Лийс Уммик.

В Эстонии ежегодно образуется до пяти миллионов тонн сланцевой золы, которая в основном складируется в терриконах. Золы от сжигания биомассы образуется примерно в сто раз меньше – в среднем 40 000–50 000 тонн в год, однако ей практически всегда находится применение.

Зола делится на летучую и топочную с различными свойствами. Более тяжелая топочная зола оседает на дне топки. Более легкая летучая зола уносится с выделяемыми при горении газами, и ее улавливают при помощи фильтров и оборудования. Например, в 2023 году в Эстонии при сжигании биомассы образовалось более 24 000 тонн топочной золы, а объем летучей золы составил менее 15 000 тонн. В случае сланцевой золы объемы смещены в сторону летучей золы.

Более ценная с точки зрения строительства летучая зола часто означает более высокие экологические риски, поскольку при снижении температуры именно в мелких частицах концентрируются различные тяжелые металлы. Чем мельче частица золы и чем дальше от фильтра оборудование ее собирает, тем выше в ней содержание свинца, кадмия и других переходных металлов. Кроме того, с летучей золой переносится большее количество солей, например хлоридов и сульфатов.

В своей работе Уммик отметила, что сланцевая зола годами относилась к опасным отходам из-за своей сильной щелочности. С одной стороны, это свойство помогает нейтрализовать слишком кислые почвы в сельском хозяйстве, с другой – после осадков сланцевая зола может образовывать сильно щелочные сточные воды. Парадоксально, что в то же время в правовых актах Европейского союза угольная зола относилась к обычным отходам, хотя она может содержать большое количество тяжелых металлов и других токсичных элементов.

В 2019 году ученые Таллиннского технического и Тартуского университетов провели подробное исследование, в котором оценили опасные свойства сланцевой золы и сравнили их с угольной золой. На основе этой работы год спустя сланцевую золу начали относить к обычным отходам. Однако золу, образующуюся при сжигании биомассы, ранее никто не сравнивал со сланцевой золой в той же системе и с использованием тех же методов. Именно это Уммик вместе с коллегами и сделала в своей работе. Кроме того, она сопоставила полученные результаты с регуляциями Европейского союза.

Подробное исследование

Уммик с коллегами изучила образцы сланцевой золы с различных эстонских электростанций и предприятий по производству сланцевого мазута, на которых используются различные технологии сжигания (например, циркулирующий кипящий слой, сжигание в пылевидном состоянии, процессы производства сланцевого мазута), а также образцы золы, образующиеся при сжигании биомассы в котельных. Ученые установили, сколько тяжелых металлов содержат различные фракции золы и как они выщелачиваются в окружающую среду. Кроме того, они изучили опасность протекающей через золу воды для водных организмов.

Ученые также впервые в Эстонии столь масштабно проанализировали содержание диоксинов. Диоксины образуются в процессе сжигания, сохраняются в окружающей среде годами и накапливаются в пищевой цепи. "В постановлении Европейского союза о стойких органических загрязнителях они рассматриваются крайне строго – содержание диоксинов выше допустимого предельного значения означает, что отходы нельзя перерабатывать", – пояснила Уммик.

Результаты показали, что сланцевая зола и зола, получаемая при сжигании биомассы, имеют различную степень опасности. Анализ показал, что летучая зола, образующаяся при сжигании древесной щепы, местами превышает предельные нормы по тяжелым металлам, таким как цинк, медь и свинец. Например, в летучей золе одной котельной содержание цинка было до 14 раз выше допустимого, а в другой столь же сильно было превышено содержание диоксинов. Большое количество токсичных тяжелых металлов указывает на то, что в некоторых случаях в поток топлива попадают некачественная обработанная древесина и строительный мусор.

В сланцевой золе большинство тяжелых металлов и полуметаллов – включая опасные для окружающей среды свинец, мышьяк и кадмий – содержались в очень малых количествах. Разница обусловлена природной особенностью горючего сланца: сама порода по сравнению с углем содержит относительно мало тяжелых металлов. Содержание диоксинов в сланцевой золе во всех случаях было ниже предела обнаружения в лабораторных условиях. По оценкам, их было как минимум в четыре раза меньше, чем допустимые 20 нанограммов на килограмм для удобрений.

Теория и практика

Для оценки реального воздействия золы на окружающую среду недостаточно только химического анализа. Поэтому Уммик также провела эксперименты с живыми организмами. Для этого в специальные растворы золы были помещены чувствительные индикаторные организмы: водяные блохи и светящиеся бактерии Aliivibrio fischeri. Эксперименты с живыми организмами наглядно показали, как выщелачивающиеся в водную среду токсины влияют на водные микроорганизмы.

Биологические тесты дали несколько иные результаты по опасности золы, чем действующие официальные расчетные модели Европейского союза. По действующим правилам токсичность материала оценивается главным образом на основе общего химического состава. Иными словами, расчетная модель суммирует все содержащиеся в золе опасные соединения, не учитывая, как вещества на самом деле выщелачиваются и перемещаются в природе. Различие между методиками особенно проявилось на примере сланцевой золы.

Тесты со светящимися бактериями подтвердили, аналогично расчетной модели, безопасность материала. Поскольку бактерии морского происхождения хорошо переносят воду с высокой соленостью, раствор золы был для них безопасен. В то же время эксперименты с пресноводными водяными блохами завершились массовой гибелью организмов.

Дальнейший анализ показал, что гибель не была вызвана тяжелыми металлами. Для пресноводных организмов, вероятно, оказались губительными слишком высокий уровень pH и соленость воды. Поскольку водяные блохи напрямую реагируют на щелочность и соленость воды, по мнению Уммик и ее коллег, они не подходят для оценки подобной среды.

"При оценке экологической опасности обосновано продолжать использовать расчетный метод, основанный на химическом составе. Если же оценка проводится с помощью тест-организмов, необходимо выбирать организм, подходящий для конкретных условий среды, например пресноводный или морской", – отметила Уммик.

Более широкое влияние

По оценке Уммик, для снижения нагрузки токсичных веществ на окружающую среду котельные и когенерационные станции должны тщательнее сортировать топливо. Из древесины необходимо удалять всю обработанную или окрашенную древесину, чтобы предотвратить накопление токсичных веществ в летучей золе. Таким образом можно было бы производить из нее, например, материалы для известкования и удобрения полей.

В качестве второго важного шага она вместе с коллегами рекомендует собирать безопасную топочную золу и загрязненную летучую золу в котельных в отдельные контейнеры. В настоящее время обе фракции иногда смешиваются. При их раздельном хранении можно было бы использовать образующуюся в топке чистую золу на полях. Летучую золу необходимо более строго контролировать перед переработкой или складированием и обрабатывать отдельно.

Что касается сланцевой золы, новые результаты тестов указывают на то, что этот материал можно шире использовать в строительном секторе, например при производстве цемента и строительстве дорог. "Все эти материалы можно производить из первичного сырья, но в качестве альтернативы можно использовать уже существующие промышленные побочные продукты – золу", – подчеркнула Уммик. При дополнительной обработке можно также улучшить их способность связывать углекислый газ из воздуха.

Выводы докторской диссертации указывают на необходимость пересмотра существующих практик обращения с отходами и устаревших правовых актов. Уммик и ее коллеги надеются, что изменение законов поспособствует безопасному повторному использованию сланцевой золы и одновременно ограничит попадание токсичных веществ в сельскохозяйственную почву.