CC BY
18
УДК 556.535.8
СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВОД ОТ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ РОССЫПИ АЛМАЗОВ
© 2012 г. Т.И. Караваева, О.Б. Наумова, В.П. Тихонов, Б.С. Лунев
Караваева Татьяна Ивановна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, научный сотрудник, лаборатория экологической геологии, Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета, ул. Генкеля, 4, г. Пермь, 614990, е-таИ:ро1зк@рзы.ги. Наумова Оксана Борисовна - доктор геолого-минералогических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, геологический отдел, Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета, ул. Генкеля, 4, г. Пермь, 614990, е-шаИ:ро1зк@рзи.ги.
Тихонов Владимир Павлович - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, зведующий отделом охраны природы, Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета, ул. Генкеля, 4, г. Пермь, 614990, е-таИ:рогзк@рзи.ги. Лунев Борис Степанович - доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, геологический отдел, Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета, ул. Букире-ва, 15, г. Пермь, 614990, е-таИ:рогзк@рзи.ги.
Karavaeva Tatyana Ivanovna - Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Researcher, Laboratory of Environmental Geology, Institute of Natural Sciences of the Perm State National Research University, Genkel St., 4, Perm, 614990, e-mail:poisk@psu.ru. Naumova Oksana Borisovna - Doctor of Geological and Min-eralogical Sciences, Associate Professor, Leading Researcher, Geological Department, Institute of Natural Sciences of the Perm State National Research University, Genkel St., 4, Perm, 614990, e-mail:poisk@psu.ru.
Tikhonov Vladimir Pavlovich - Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Head of Department of Conservation, Institute of Natural Sciences of the Perm State National Research University, Genkel St., 4, Perm, 614990, e-mail:poisk@psu.ru.
Lunev Boris Stepanovich - Doctor of Geological and Miner-alogical Sciences, Leading Researcher, Geological Department, Institute of Natural Sciences of the Perm State National Research University, Bukirev St., 15, Perm, 614990, e-mail:poisk@psu. ru.
Выполнено геологическое обоснование выбора участка в долине реки для создания фильтрационного поля с целью очистки сточных вод от взвешенных веществ. По результатам анализа геологической информации, полученной на стадии поисков, предложены критерии выбора участка. Эффективность выбора участка подтверждена проведенными опытно-промышленными испытаниями фильтрационного поля. Разработана система очистки сточных вод от взвешенных веществ в аллювиально-техногенных отложениях, позволяющая достигать нормируемых значений концентрации взвешенных веществ в водах реки и обеспечивающая очистку необходимого расхода загрязненных вод.
Ключевые слова: аллювиальные отложения, взвешенные вещества, очистка сточных вод, песчаные фракции, фильтрационное поле.
The geological substantiation of selection of the site in the river valley for the making of the filtrational field with the purpose of the sewage cleaning from suspended particles has been made. The analysis of geological information which had been got during exploring has been made. The criteria of selection of the site which had been confirmed of experimental and industrial tests of the filtrational field have been suggested. A wastewater cleaning system from suspended substances in alluvial man-made deposits has been made. It allows to achieve normalized values of the concentration of suspended particles in the waters of the river and providing cleaning necessary flow ofpolluted water.
Keywords: alluvial deposits, suspended particles, waste water cleaning, sand fraction, filtration field.
Недропользование на россыпных месторождениях в долинах рек связано с изменениями состояния компонентов окружающей природной среды, в том числе значительное негативное влияние оказывается на вод-
ные экосистемы [1]. При разработке месторождений драгами используется поверхностный сток рек. Разработка сопровождается значительными объемами сброса загрязненных взвешенными веществами сточных
вод. Сточная вода поступает в реку, уничтожая зообен-тос, планктон, места нерестилищ, собственно ихтиофауну. Река утрачивает рекреационные и туристские возможности, ландшафтные визуальные доминанты.
Специалистами Естественнонаучного института Пермского государственного национального исследовательского университета (ЕНИ ПГНИУ) разработана система очистки сточных вод от взвешенных веществ. Она обеспечивает экологически безопасное недропользование и снижение влияния на поверхностные воды при разработке россыпей в долинах рек. Опытно-промышленные испытания проведены в Красно-вишерском районе Пермского края в среднем течении р. Б. Колчим.
После отработки участка месторождения аллювиальные отложения оказываются перемешанными с делювиальными, частично входящими в продуктивный слой. Происходят осреднение вещества и принудительная стратификация по размеру. Образуются аллювиально-техногенные отложения отвально-намывной техногенной фации, свойства которых отличаются от свойств аллювиальных отложений в естественном залегании [2]. Это и позволяет использовать их в качестве естественного фильтра. При фильтрации через них сточных вод происходит осаждение взвешенных веществ в поровом пространстве и очистка воды. Определяющими параметрами системы очистки являются достижение нормируемой концентрации взвешенных веществ и обеспечение максимально возможного расхода очищаемой воды, которые в значительной степени зависят от гранулярного состава отложений. Аллювиально-техногенные отложения характеризуются неоднородностью гранулярного состава, но в распределении различных фракций наблюдается закономерность, связанная с технологическим процессом дражной разработки. В верхней части отложений залегает крупнообломочный материал, представленный валунами и галькой, с пониженным содержанием пылеватых и глинистых частиц. В нижней части залегают в основном песчано-гравийные отложения с небольшим количеством глинистой фракции [2]. Россыпные месторождения алмазов бассейна р. Вишеры характеризуются содержанием фракций менее 0,5 мм до 60 % по массе [3]. Высокое содержание мелких фракций осложняет разработку россыпей. Эта геологическая особенность характерна для большинства россыпных месторождений России.
В долине р. Б. Колчим развиты эрозионно-аккумулятивные (II—IV) и аккумулятивные (I) речные террасы и пойма, сформированные на подстилающих трещиноватых и закарстованных палеозойских породах, а в верхнем течении реки - на терригенных отложениях нижнего венда [4]. Дражный полигон включает пойму, первую и частично вторую надпойменные террасы. Аллювий представлен песками, глинистыми песками с гравием и галькой, полимиктовыми галечниками с валунами, скрепленными глинистым песком. В минеральном составе аллювия речных террас преобладает кварц. Основными поставщиками кварцевого песка являются песчаники кварцевые и конгломераты с кварцевым цементом. Содержание песчаных фракций 0,5-2,0 мм изменяется (%): в русле - 5,4-28,6, в пойме -
4,2-44,0, на I террасе - 6,8-38,0, на II террасе - 4,632,0. В долине реки находятся участки с преобладанием песчано-гравийного типа разреза. Среднемесячные расходы реки по сезонам года отличаются в 29 раз, что значительно затрудняет выбор эффективных систем очистки от взвешенных веществ.
Разработка месторождений часто производится на прямотоке реки. Вода транзитом проходит через дражный водоем, что сопровождается образованием сточных вод с концентрацией взвешенных веществ до 15,0 г/дм3. Для р. Б. Колчим допустимая концентрация взвешенных веществ в поверхностных водах составляет 46,41 мг/дм3. Загрязненная вода сбрасывается в реку, негативно изменяя всю экосистему. Необходима очистка всего расхода воды, сбрасываемой из дражного водоема, до нормируемых концентраций. Существующие в горнодобывающей промышленности способы очистки не позволяют соблюдать допустимые концентрации взвешенных веществ в водотоках при разработке россыпей. Реагентные и электрохимические способы нельзя применять на прямотоке реки в связи с опасностью химического загрязнения.
Анализ строения и состава аллювия террас и подстилающих коренных пород позволяет выбрать участок для сооружения системы очистки до начала разработки месторождения. Выбор участка производится на стадии проектирования с учетом следующих критериев: 1) преобладание в разрезе аллювиальных песча-но-гравийных отложений; 2) в пределах контура продуктивных отложений содержание песчаных фракций 0,5-2,0 мм составляет не менее 25 %; 3) плотик представлен терригенными породами.
Механическая очистка воды при фильтрации через песчаные загрузки является наиболее простым и эффективным способом. Аллювиально-техногенные пески долины реки по своим свойствам наиболее соответствуют фильтрующей загрузке промышленных песчаных фильтров. Для эффективного использования этих свойств в долине реки необходимо выбрать участки с преобладанием песчано-гравийных отложений. По материалам разведочных работ выбираются геологические разрезы, на которых в пределах продуктивной толщи песчано-гравийные отложения составляют более 50 % по мощности. Это обеспечивает высокие фильтрационные свойства аллювиально-техногенных отложений.
На выбранных разрезах в пределах контура подсчета запасов анализируется содержание фракции 0,52,0 мм в отложениях продуктивной толщи. В качестве перспективного выбирается участок, где среднее содержание этой фракции не менее 25 %. В действительности содержание песка выше, так как на стадии разведки определялась только фракция 0,5-2,0 мм. Доказано, что существует тесная сопряженность содержания мелких фракций (0,1-0,5 мм) от фракций более 5 мм [5]. В соответствии с этой закономерностью, не определяемая на стадии разведки фракция песка 0,50,1 мм изменяется в среднем от 16 до 31 % по массе. Таким образом, общее содержание песка фракций 0,1-2,0 мм в продуктивной толще может составлять от 41 до 56 %. При дражной разработке производится «задирка» плотика, терригенные породы которого являются дополнительным источником поступления
песков различной крупности в аллювиально-техно-генные отложения. Это повышает эффективность работы системы очистки.
В долине реки Б. Колчим выбраны три участка в нижнем и среднем течении, соответствующие всем трем критериям и потенциально пригодные для создания системы очистки. На участках преобладает песча-но-гравийный тип разреза. Содержание песчаных фракций 0,5-2,0 мм в продуктивной толще отложений составляет 27,3-32,0 %, подстилающие породы - песчаники (таблица).
Гранулометрический состав продуктивных отложений, %
Разведочная линия Фракции, мм
16,0-8,0 8,0-4,0 4,0-2,0 2,0-0,5 < 0,5
155 26,5 14,5 17,7 32,0 9,3
46 18,7 16,3 15,9 31,5 17,6
57 9,7 12,7 16,0 27,3 34,3
порными фильтрующими перемычками в русле пазухи. В результате создаются условия для фильтрации воды через песчаные отложения перпендикулярно долине в сторону существующего русла реки на более низкие отметки (рис. 3).
Опытно-промышленные испытания проведены на отработанном драгой участке в районе разведочной линии 57 (рис. 1). Геологические условия участка оптимальны для сооружения системы очистки воды. Степень очистки воды при фильтрации через песчаные аллювиально-техногенные отложения достигла 99,3 %, соблюдены допустимые концентрации взвешенных веществ в поверхностных водах. Расход очищаемых вод (0,32-0,36 м3/с) превысил необходимый расход технологической воды (0,2 м3/с), обеспечена очистка всей воды, отводимой из дражного водоема.
Система очистки представляет собой участок долины р. Б. Колчим и состоит из системы параллельных напорных и отводящих водоемов, расположенных каскадом и разделенных фильтрационными полями из аллювиально-техногенных отложений.
Рис. 2. Схема системы очистки воды в фильтрационных полях
Условные обозначения [ИЩИ Покровные суглинки четвертичные П | Глины без включений или со щебнем и глыбами делювиальные и элювиальные четвертичные Г*"." Пески с гравием и галькой
Рис. 1. Геологический разрез по линии 57
Длина участка - 310 м, ширина - 50-70 м (рис. 2). Вода из дражного водоема направляется в пазуху, проходящую вдоль всего участка по левому борту долины реки. Сток загрязненных вод оказывается на более высоких абсолютных отметках по сравнению с существующим руслом. Напор обеспечивается под-
Рис. 3. Профиль фильтрационного поля
Напорная фильтрация осуществляется фронтально по всей длине фильтрационных полей. Для отведения профильтровавшейся очищенной воды используются оставшиеся после дражной разработки понижения отводящие водоемы. Вода из понижений отводится по каналам в сторону русла реки. Напор подаваемых на очистку загрязненных вод регулируется изменением высоты слива из напорных водоемов.
При эксплуатации достигнута концентрация взвешенных веществ в очищенных водах ниже допустимой. Расход очищаемой в фильтрационных полях воды составил 0,368 м3/с, что превышает объем технологического водоснабжения 250-литровой драги, равный 0,2 м3/с. Обеспечены нормируемая концентрация взвешенных веществ в поверхностных водах и очистка необходимого расхода технологической воды [6-8].
Результаты внедрения системы очистки в ЗАО «Ура-лалмаз» показали высокую эффективность ее применения. Практическое использование системы очистки возможно в любых долинах равнинных и предгорных рек, где в достаточном количестве присутствуют песчаные фракции аллювиальных отложений. Система очистки
может использоваться не только на дражных полигонах, но и при гидравлическом и гидромеханизированном способах разработки месторождений.
Экологическая эффективность разработанной системы очистки определяется отсутствием воздействий на водные экосистемы рек. Обеспечение нормируемых концентраций взвешенных веществ в реке создает условия для развития кормовой базы для рыб в виде зоопланктона и бентоса, водной растительности, сохранения мест нереста и естественной ихтиофауны, отдыха и кормления водных и околоводных видов птиц. Река сохраняет свои рекреационные возможности и туристский потенциал ниже полигона дражных работ. В системе очистки не используются химические вещества и реагенты. Вода как ресурс сохраняет свои органолептические свойства и химический состав. Срок службы системы сопоставим со средней продолжительностью разработки месторождения, равной 10-12 лет. Капитальные затраты на сооружение системы очистки отсутствуют. Эксплуатационные затраты минимальны и связаны с использованием бульдозера (в количестве не более 8-10 машино-смен за сезон) для обеспечения рекомендованных уровней воды в напорных водоемах за счет поддержания необходимой высоты слива фильтрующих перемычек.
Исследования проведены при поддержке грантов РФФИ 10-05-96060 и 11-05-96016.
Поступила в редакцию_
Литература
1. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяй-
ственного значения, в том числе нормативы предельно-допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения // Госты, стандарты, нормативы. URL: http://www.gostrf.ru (дата обращения: 03.02.2012).
2. Наумов В.А. Процессы формирования и распределения
концентраций благородных металлов в техногенных россыпях и отвалах Урала // Горн. журн. 1994. № 8. С. 39-50.
3. ЛуневБ.С., Наумова О.Б. Атлас геологии россыпей. Т. 2.
Алмазы. Пермь, 2011. 380 с.
4. Наумова О.Б. Атлас форм рельефа. Формы рельефа
Прикамья. Т. 3. Пермь, 2002. 316 с.
5. Лунев Б.С. Дифференциация осадков в современном
аллювии. Пермь, 1967. 333 c.
6. Караваева Т.И., Наумова О.Б. Свойства природного
фильтра из аллювиально-техногенных отложений // Перспективы науки. 2010. № 8 (10). С. 69-72.
7. Караваева Т.И., Наумова О.Б. Система очистки сточных
вод от взвешенных веществ в аллювиально-техногенных отложениях // Естеств. и техн. науки. 2010. № 4. С. 411-413.
8. Караваева Т.И., Тихонов В.П. Фильтрационные свойства
техногенных дражных отложений // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: материалы регион. науч.-практ. конф. Пермь, 2010. С. 285-288.
19 марта 2012 г.
