CC BY
89
© И.В. Пестряк, О. Эрдэнэтуяа, 2012
УДК 622.7: 628.1:502.17
И.В. Пестряк, О. Эрдэнэтуяа
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА
Проведен сравнительный анализ различных способов кондиционирования оборотных вод обогатительной фабрики ГОКа «Эрдэнэт» и близко расположенных предприятий. Рассмотрены технологии щелочного и карбонатного осаждения, сорбции на ионообменной смоле, смешивания фильтрационных вод со стоками золоотвала ТЭЦ и стоками городских очистных сооружений. В качестве критерия сравнения использовались показатели флотационного обогащения медно-молибденовых руд. Для СП «Эрдэнэт»» рекомендована технология совместного кондиционирования фильтрационных вод со стоками золоотвала ТЭЦ и городских очистных сооружений, главным преимуществом которой является значительное увеличения ресурса технологических вод и минимальные затраты на кондиционирование.
Ключевые слова: хвостовое хозяйство обогатительных фабрик, очистка и кондиционирование стоков, извлечение ценных компонентов из стоков, схема водооборота.
Применяемые в настоящее время технологии добычи, обогащения и переработки руд требуют совершенствования, и в первую очередь внедрения замкнутых схем с максимально полным водооборотом и с попутным извлечением ценных компонентов и минимизацией загрязнения окружающей среды [1].
Важной задачей, решаемой при организации систем оборотного водоснабжения на горно-обогатительных предприятиях, является максимальное использование в производстве стоков сложного химического состава, образующихся в результате смежных процессов на установках выщелачивания или гидрометаллургии, или на других производственных комплексах, а также очищенных бытовых стоков [2].
На ГОКе «Эрдэнэт» основной поток технологической воды формируется за счет сбросов отстойного прудка хвостохранилища. Эти воды
характеризуются щелочной средой, высокой концентрацией карбонатных ионов, малыми концентрациями ионов тяжелых металлов (табл. 1).
Существенно отличаются по составу фильтрационные воды, собранные в фильтрационные каналы из водоносных слоев под основанием плотины дамбы. Эти воды характеризуются нейтральными и слабокислыми значениями рН, высокой концентрацией сульфоксидных ионов и заметными концентрациями ионов тяжелых металлов (табл. 1). Причиной отличий в ионном составе сливов прудка и фильтационных вод хвостохранилища являются процессы окисления сульфидных минералов, сопровождающиеся подкислением жидкой фазы и переходом в нее ионов тяжелых металлов. Негативное воздействие на окружающую среду обусловлено преимущественно загрязнением природных вод содержащимися в фильтрационных водах продуктами окисления
Таблица 1.
Состав и свойства стоков горно-обогатительного предприятия
№№ Продукт Концентрация, мг/л
рН [Си] [Ре] [СОз] [Ог] [8О42-]
1 Общие хвосты 10,1 0,01 0,01 125,0 12,0 367,0
2 Слив отстойного прудка хвостохранилища 7,8 0,04 0,02 178,0 7,5 398,5
3 Фильтрационные воды хвостохранилища 6,5 4,5 1,5 114,2 4,2 625,0
4 Стоки городских очистных сооружений 7,1 0,01 0,04 198,0 75,3 430,5
5 Стоки золоотвала ТЭЦ 8,2 0,01 0,01 450,0 0,9 350,3
Ог - органические соединения
Таблица 2
Концентрация и количество растворенной меди, попадающей во флотационный процесс
№№ Наименование продукта Суточный Концентрация, со- Количество
объем, вес; держание раство- растворимой
т/сут римой меди, мг/л меди, кг/сут
1 Стоки прудка хвостохранилища 85000 0,04 3 400
2 Фильтраты хвостохранилища 15000 4,5 67 500
3 Исходная руда 70000 5,0 350 000
минералов тяжелых металлов: ионами меди, свинца, цинка и железа.
Таким образом, фильтрационные воды хвостохранилищ обогатительных фабрик одновременно представляют собой источник ценных компонентов и источник загрязнения окружающей среды. В традиционно используемых схемах замкнутых циклов водооборо-та предусмотрено направление таких вод непосредственно в обогатительный передел. Однако, как показал опыт применения оборотного водоснабжения на ГОКе «Эрдэнэт», направление фильтратов хвостохрани-лища на обогатительную фабрику сопровождается снижением технико-экономических показателей технологического процесса. Поэтому, в последние годы на предприятии «Эрдэ-нэт» действовала схема частичного оборотного водоснабжения, предусматривающая возврат на обогатительную фабрику лишь половины фильтрационных вод.
Негативного влияние фильтрационных вод может быть объяснено фактом значительного увеличения количества окисленных, относительно хорошо растворимых соединений меди, попадающих во флотационный процесс [3]. Как видно из табл. 2, количество меди, содержащееся в фильтрационных водах сопоставимо с количеством растворимой меди в обогащаемой руде и значительно превышает растворенной меди, содержащееся с сливе отстойного прудка хвостохранилища. Необходимо отметить, что способность меди, содержащейся в стоках и оборотных водах, к активации минералов и связыванию флотационных реагентов значительно выше, чем у окисленной меди, содержащейся в исходной руде. Это обусловлено высокой дисперсностью соединений меди, образующихся при смешивании слабокислых фильтрационных вод и слабощелочных стоков осветлительного прудка.
Рис. 1. Диаграмма термодинамической стабильности карбонатов кальция и магния и гидроксокарбо-ната меди при варьировании щелочности фильтрата (при концентрации бикарбонат ионов 10'4 моль/л): 1, 2, 3, 4 - границы устойчивости осадков карбонатов кальция, магния, меди в области рН более 6, 3; 5, 6, 7, 8 - при рН менее 6,3
Наиболее простым путем нейтрализации фильтратов хвостохранили-ша является их возврат и сброс в хво-стохранилише с основными хвостами. Однако, как показали результаты промышленного эксперимента, при возврате в хвостохранилише фильтрационных вод снижается скорость осветления воды в прудке и возрастает вынос в оборотную воду тонкодисперсных соединений меди и других тяжелых металлов.
Эффективным путем снижения концентрации ионов тяжелых металлов является осаждение гидроокислов и гидроксокарбонатов металлов с использованием шелочи или каустической соды.
При рН больше 7 протекают следуюшие реакции:
Са2++ НСОз- = СаСОз + Н+ Мд2++ НСО3- = МдСО3 + Н+ Са2++ Мд2++ 2НСОз- = =СаМд(СОз)2 + 2Н+ 2Си2++ НСОз- + 2Н2О = =Си2(ОН)2СОз + 3Н+
(1) (2)
(3)
(4)
Последовательность протекания реакций и достижимые концентрации ионов металлов можно оценить, используя диаграмму термодинамической стабильности соединений в координатах рН - 1д [ме].
Рассчитанные для указанных условий диаграммы представлены на рис. 1. Анализ полученных диаграмм позволяет заключить, что последовательность осаждения металлов в области рН более 7,3 следуюшая: Си2(ОН)2СОз, СаМд(СОз)2, МдСОз,
СаСОз. Это означает, что первоначально будет осаждаться карбонат меди, затем карбонаты кальция и магния. Ланная последовательность обосновывает возможность осаждения растворенной меди при мини-мальн^1х расходов реагента - осадителя.
Лля оценки влияния на концентр-цию ионов меди концентрации реагента осадителя были рассчитаны термодинамические параметры реакций растворения карбонатов, гидро-ксокарбонатов и гидроксидов меди в присутствии гидроксильных и карбонатных ионов (табл. 3).
Анализ представленных в табл.4 уравнений для условий осаждения меди из фильтратов хвостохранилиша ГОКа «Эрдэнэт» покакзывает, что увеличение концентрации карбонатных ионов уменьшает равновесную концентрацию меди, в соответствии с уравнением в табл. 3 связываюшем концентрации ионов меди и бикарбонат иона в области рН от 6,3 до 10,3.
Лля проверки результатов расчетов были поставлены опыты по осаждению меди из фильтратов хвосто-хранилиша предприятия «Эрдэнэт».
Таблица 3
Термодинамические параметры реакций с участием меди в твердой и водной среде складированных хвостов
№№ Уравнения реакций ЬдК
1 Си2+ + Н2С03 = СиС03 + 2Н+ 9,67 -7,09
2 Си2+ + НС03" = СиС03 + Н+ 0,98 -0,71
3 Си2+ + С032- = СиС03 -13,11 9,62
4 2Си2+ + Н2С03 +2Н20 = Си2(0Н)2С03 + 4Н+ 14,88 -10,91
5 2Си2+ + НС03" + 2Н20 = Си2(0Н)2С03 + 3Н+ 6,19 -4,54
6 2Си2+ + 2Н20 = 2Си(0Н)2 + 2Н+ 12,55 -9,2
7 Си2(0Н)2С03 + 2Н20 = 2Си(0Н)2 + НС03" 18,91 -13,87
8 Си2(0Н)2С03 + 2Н20 = 2Си(0Н)2 + С032" + 2Н+ 33,0 -24,21
9 Си(0Н)2 = Си022- + 2Н+ 41,8 -30,67
Таблица 4
Соотношения между концентрациями компонентов фильтрата в условиях равновесия реакций окисления с участием соединений меди
№№ уравнений реакций Уравнения связи между концентрациями компонентов ионного состава Область рН
4 1д[Си2+] = 5,45 - 0,51д[Н2С03] - 2рН Менее 6,3
5 1д[Си2+] = 2,27 - 0,51д[НС03"] - 1,5рН От 6,3 до 10,3
6 1д[Си2+] = 9,2 - 2рН От 10,3 до 11,1
9 1д[Си022"] = -30,67 + 2рН Более 11,1
Таблица 5
Минеральный состав лежалых хвостов
Минерал Содержание, % Минерал Содержание, %
Кварц, опал, халцедон 30,3 Магнетит, гематит 0,73
Серицит, мусковит 25,0 Хлорит 0,41
Плагиоклаз 22,5 Гипс 0,27
Полевые шпаты 7,53 Гетит 0,12
кальцит 3,23 Сидерит 0,12
Глинистые минералы 1,73 Гидроксокарбонаты меди 0,06
Пирит 1,57 Халькопирит 0,05
Авгит 0,99 Тальк 0,05
Доломит 0,98 Сфалерит 0,05
В эксперименте использовались промышленные фильтрационные стоки хвостохранилиша ГОКа «Эрдэнэт», минеральный состав песков которого представлен в табл. 5.
Результаты опытов, представленные в табл. 6 показывают, что в присутствии карбонатных породных минералов (кальцита, доломита и магнезита) осаждение меди добавками соды (при рН более 8) обеспечивает получение стоков, допустимых к сбросу в
окружаюшую экосистему, или пригодных для использования в качестве технологической воды в процессах измельчения и флотации.
С практической точки зрения, полученные результаты обосновывают возможность снижения концентрации меди в стоках хвостохранилиш обогатительных фабрик с получением фильтратов, содержаших 0,08 - 0,15 мг/л иона меди, что приемлемо для использования таких вод в технологи-
ческих процессах измельчения и флотации.
В отсутствие достаточного количества карбонатных ионов эффективность очистки от ионов меди существенно снижается (табл. 6, опыты 1,2).
В таких условиях становится необходимым проведение очистки сточных вод другими способами, например с применением сорбционной технологии.
При проведении лабораторных исследований сорбционной технологии очистки фильтратов были определены технологические возможности процесса сорбции ионов меди на ка-тионообменных сорбентах.
С целью определения возможных результатов при сорбции и выбора ионита были проведены исследования по сорбционному извлечению меди ионитами марок КУ-2-8 и КБ-4 при различной продолжительности процесса сорбции.
Эксперименты проводились в статическом режиме на промышленных образцах смол [4]. Согласно используемой методике испытуемый раствор пропускался через слой сорбента в сорбционной колонке высотой 1,2 м при скорости 1 до 12 см/мин. Общая продолжительность сорбции составляла от 10 до 120 мин. Результаты экспериментов, представленные на рис. 2, показывают, что остаточная концентрация меди в процессе сорбции снижается по логарифмической зависимости, со временем достигая значений 0,04-0,05 мг/л.
При использовании слабокислотного катионита КБ-4 степень извлечение меди выше, и составляет при продолжительности сорбции более 1 часа около 99,8 %. Дальнейшее увеличение времени сорбции не изменяет остаточную концентрацию металла.
При проведении экспериментов на смоле КБ-4 достигнута меньшая остаточная концентрация ионов меди
Рис. 2. Изменение остаточной концентрации иона меди в фильтрате при проведении процесса сорбции в статических условиях: 1 - с использованием катеонита КУ-2-8; 2 - с использованием ка-тионита КБ-4
(0,04 мг/л) и, соответственно большее извлечение меди (99,85 %).
Возможность достижения высокой степени извлечения металлов катио-нитом КУ-2х8 из фильтратов хвосто-хранилища (без предварительной подготовки последних) дали основание выбору по катионита КУ-2х8 для проведения дальнейших исследований по оптимизации процессов очистки реальных фильтратов хвостохрани-лища ГОКа «Эрдэнэт». Состав фильтратов и полученные результаты опытов представлены в табл. 7.
Опыты проводились в динамическом режиме на полупромышленной сорбционной установке объемом 5 л. Время сорбции составляло 10-40 мин.
Анализ полученных результатов (табл. 7) принципиально соответствует данным, полученным при лабораторных опытах, и подтверждает возможность извлечения меди из фильтратов хвостохранилища на 95,0 -98,0 % до технологически приемлемого уровня 0,08 - 0,15 мг/л.
Таблица 6
Результаты опытов по содовой очистке фильтратов хвостохранилиша
№№ опыта Концентрация щелочи/кислоты, моль/л рН раствора Концентрация ионов, мг/л
начальное конечное Са2+ Мд2+ Си2+ ИСОз" + СОз2-
1 №ОИ, 10"4 10,2 8,9 44,1 24,4 0,96 7,2
2 №ОИ, 10"ь 8,6 8,0 60,2 13,3 2,00 12,2
3 На2СОэ, 10"4 9,9 8,7 14,1 4,8 0,08 28,5
4 На2СОэ, 10"ь 8.1 8.0 30,2 6.4 0,15 34,8
5 - 6,9 6,7 88,5 20,3 3,18 20,4
Таблица 7
Результаты опытов по сорбционному извлечению меди из фильтратов хвостохранилиша ГОКа «Эрдэнэт»
Параметры исходного фильтрата Время Остат. Извлечение
рН Концентрация, мг/л сорбции, конц.меди, меди,
меди железа кальция мин мг/л %
10 0,25 97,4
6,15 1,8 0,39 44,3 20 0,16 97,6
30 0,09 98,8
40 0,08 98,8
10 0,15 99,5
6,87 0,77 0,17 24.5 20 0,095 99,2
30 0,075 99,6
40 0,062 99,6
Выбор конкретной технологии определяется соотношением экологического или технологического эффекта и затрат на очистку. Предварительный сравнительный анализ результатов показал, что варианты 4 и 5 в табл. 7 (после добавления каустической соды) показывают хорошие результаты и могут быть предложены для практического использования.
Применение разработанной технологии очистки позволяет снизить концентрации растворенной меди в приповерхностных грунтовых водах на 70-90 %, приведя их в соответствие с требованиями норм по ПДК.
Перспективным вариантом содовой технологии кондиционирования фильтрационных вод хвостохранили-ша является их смешивание со стоками золоотвала ТЭЦ. Высокая концентрация соды (до 210-4 моль/л) и ше-лочная среда (рН=8-8,5) являются
благоприятными факторами, обеспе-чиваюшими эффективное осаждение меди их фильтрационных стоков хво-стохранилиша.
Другим перспективным направлением является применение для осаждения ионов тяжелых металлов стоков городских очистных сооружений. При смешивании наблюдается взаимодействие растворенной меди с со-держашимися в стоках городских очистных сооружений органическими соединениями, в первую очередь органическими и хлорорганически-ми кислотами. Как видно из табл. 8, смешивание указанных стоков сопровождается снижением количества растворенной меди в 4,8 раза и органических соединений в 3,5 раза. В результате протекаюшего химического процесса образуются осадки (илы) с содержанием меди до 2,5 %.
Таблица 8
Результаты взаимодействия фильтрационных вод хвостохранилиша со стоками городских очистных сооружений и стоками золоотвала ТЭЦ
№№ Состав раствора рН Концентрация ионов, мг/л
Са2+ Мд2+ Си2+ ИСОз-+ СОз2-
1 Фильтрат хвостохранилиша 6,4 625,0 75,4 3,96 114,0
2 Стоки золоотвала ТЭЦ 8,2 470,0 45,2 0,01 650,0
3 Стоки городских очистных сооружений 7,7 278,5 46,9 0,02 198,4
4 Смесь фильтрата хвостохранилиша и стоков золоотвала ТЭЦ 7,5 550,2 69,5 0,38 410,4
5 Смесь фильтрат хвостохранилиша и стоков город. очист. сооруж. (1:0,8) 7,0 438,6 57,7 0,45 149,1
6 Смесь фильтрата хвостохранилиша, стоков золоотвала ТЭЦ и стоков город. очист. сооруж. (1:0,8:0,2) 7,7 453,1 61,0 0,25 310,5
Таблица 9
Результаты замкнутых флотационных опытов на оборотной воде
№№ Условия опыта Извлечение в концентрат,% Солержание в концентрате,%
Мели Молиблена Мели Молиблена
1 На сливе прудка хвостохранилиша и фильтрате (суше-ствуюшая схема) 84,4 35,3 21,5 49,5
2 С карбонатной доочисткой фильтратов 84,9 36,0 21,8 49,8
3 С сорбционной доочисткой фильтратов 85,2 36,3 21,8 49,9
4 С добавлением в фильтраты стоков городских очистных сооружений 84,8 35,7 21,1 49,0
5 С добавлением в фильтраты стоков шлакоотвала ТЭЦ 84,2 35,0 21,6 49,5
6 С добавлением в фильтраты
стоков городских очистных сооружений и стоков шлакоотвала ТЭЦ 85,0 36,0 21,6 49,5
Эффективным оказалось смешивание фильтрационных вод хвостохранилиша со стоками городских очистных сооружений и стоками золоотвала ТЭЦ. Как видно из табл. 8, в результате смешивания таких стоков в пропорции, соответствуюшей их реальным дебитами, достигается снижение концентрации ионов меди.
Достигаемые результаты не обеспечивают достижения ПДК ионов меди и железа, однако, сушественно
снижая количество окисленной меди, делают возможным использование объединенных стоков в качестве оборотных вод для процесса флотации. Как видно из табл. 9, ведение процесса флотации на оборотной воде, полученной как смесь фильтратов хвостохранилиша, стоков городских очистных сооружений и стоков золо-отвала ТЭЦ позволяет получить лучшие результаты, чем при ведении процесса отдельно на фильтратах
Рис. 3. Принципиальная рекомендуемая схема водооборота для обогатительной фабрики ГОКа «Эрдэнэт»: 1 - Хвостохранилище; 2 - пруд; 3 - фильтрационный канал; 4 - городские очистные сооружения; 5 - золоотвал ТЭЦ; 6 - насосная станция; 7 - илос-борник
хвостохранилиша или стоках городских очистных сооружений. Характерно, что при использовании данной технологии кондиционирования удается достичь большего извлечения ценных компонентов и более высокого качества концентратов, чем при использовании технологий кондиционирования, предусматриваюших смешивание фильтратов хвостохранили-ша со стоками городских очистных сооружений, и технологии кондиционирования, предусматриваюшей смешивание фильтратов хвостохранилиша со стоками шлакоотвала ТЭЦ.
Хотя наилучшие результаты были достигнуты в серии опытов, предпо-лагаюших использовании технологий сорбции и прямого карбонатного осаждения, для ГОКа «Эрдэнэт» нами была рекомендована технология со-
вместного кондиционирования
фильтрационных вод со стоками зо-лоотвала ТЭЦ и городских очистных сооружений. Главным преимушеством такой технологии является значительное увеличения ресурса технологических вод и минимальные затраты на кондиционирование. Принципиальная схема водооборота представлена на рис. 3.
При использовании предложенной схемы обший дебит технической оборотной воды возрастает на 7,16 млн м3 в год, что составляет 9,5% от те-кушего дебита. Такой прирост дебита технической воды обеспечит увеличение производительности фабрики на 15-17%, что соответствует планам интенсификации производства на СП ГОК «Эрдэнэт».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козин В.З. Решение экологических проблем в цветной металлургии // Горный журнал.-1996.- №3-4.- С. 3-8.
2. Морозов В.В., Авдохин В.М. Повышение экологической безопасности флотационного обогашения на основе оптимизации ионного состава пульпы и оборотных вод // Горный журнал. - 1996. - N7-8. - С. 65-71.
3. Чантурия В.А., Макаров Д.В., Макаров В.Н., Васильева Т.Н. Процессы окис
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
леиия нерудных и сульфидных минералов в модельных экспериментах и на реальных хвостохранилищах // Горный журнал. 2000. №4. - С. 55-58.
4. Сорбционное извлечение ценных компонентов из природных вод и технологических растворов // Методические рекомендации №15 Всесоюзного научно-исследовательского института минерального сырья. - М.: ВИМС, 1981.-33 с. ЕШ
Пестряк И.В. - декан факультета УЦДП, Московский государственный горный университет, e-mail: priem@msmu.ru,
Эрдэнэтуяа О. - заместитель директора по экологическим вопросам. Совместное Монголо-Российское предприятие «Предприятие Эрдэнэт» Монголия, e-mail: erdenetuya@erdenetmc.mn.
д
--РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫ1Е В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
КОМПЛЕКС ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ БЕЗОТХОДНОЙ СХЕМЫ
ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА И ЕГО ДРЕВЕСНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ
(857/02-12 от 06.12.11, 4 с.)
Жигульская Александра Ивановна, кандидат технических наук, Тверской государственный технический университет, 9051963@gmail.com
Технологические схемы разработки торфяных месторождений и ремонта полей добычи, включающие операции сводки кустарников и мелколесья, корчевки и вывозки пня, сплошного глубокого фрезерования залежи, представлены и рассмотрены с учетом предлагаемых вариантов комплексного использования ресурсов торфянойзалежи, усовершенствования и модернизации используемого оборудования.
Ключевые слова: сводка, корчевка, технологическая щепа, древесные включения торфа, тип торфа, степень разложения, пнистость, засоренность минеральными включениями.
COMPLEX OF THE EQUIPMENT FOR THE SCHEME WITHOUT WASTE
PROCESSINGS OF PEAT AND ITS WOOD INCLUSIONS
Zhigulskaya A.I.
Technological schemes of peat deposits and repair the fields of production, including operation reports of shrubs and low forests, grubbing and removal of the stump of the continuous milling of a deep reservoir are presented and discussed in the light of the proposed options for integrated resource use peat deposits, improvement and modernization of equipment used.
Key words: report, stub extraction, t he technological crushed wood of a peat deposit, wood inclusions of peat, the binding additive type of peat, degree of decomposition, stumping, contamination of mineral inclusions.
