CC BY
14
УДК 622.88:502.65
М.А.Пашкевкч, Ю.В.Шувалов, Е.В.Елдвда
Санкт-Петербургский горный институт (технический университет)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СУЛЬФИДСОДЕРЖАЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ
К настоящему времени общее количество перемещенной на планете горной массы превышает 100 млрд т. Результатом такого воздействия является образование техногенных массивов - геологических структур, сложенных породами или наносами антропогенного генезиса, отличающихся по своему составу (химическому, гранулометрическому, бактериологическому) и свойствам (физико-механическим, фильтрационным, сорбционным и пр.) от вмещающих пород. Формы и размеры техногенных массивов определяются преимущественно технологическими процессами.
В районах сульфидсодержащих техногенных массивов, вследствие попадания отходов в окислительную обстановку, происходит образование кислых дренажных вод, процессы формирования которых являются сложными и нестационарными, что в значительной мере затрудняет мониторинг состояния массивов.
Разработка и применение нового метода кислотно-щелочного баланса, заключающегося s определении и сопоставлении кислотного потенциала и потенциала нейтрализации, формируемых породой или отходом, позволяет с высокой экспрессностью и точностью контролировать ситуацию, сложившуюся в районах сульфидсодержащих техногенных массивов, существенно снижает время на проведение лабораторных исследований.
At present there have been stored on the Earth the stripped and mined rock mass, that exceeds 100 biilion tones. The formation of technogenic massifs, i.e. geological structures made up of either rocks or alluvions of anthropogenic genesis differing in their composition (chemical, granulomere, bacteriological) and properties (physical-mechanical, filtration, sorption, etc.) from country rock resulted from man's impact, the shape, type and volume depending mostly on technological processes. In the regions that have sulfide-containing technogenic massifs acidic drainage water is formed, as a result of ingress of wastes into the oxidizing medium. The process of its formation is complicated and non-steady and it makes it difficult to monitor. The development and application of a new acid-base balance method the essence of which is to define and compare the acidic potential with the neutralization potential generated by rocks or wastes, makes it possible to control with a high degree of accuracy and rapidity the situation that occur in the regions with sulphide technogenic massif and reduces the time for laboratory examination by half.
Мировое промышленное производство концентрирует огромное количество различных вредных веществ и материалов. Внедрение новых технологий не снижает уровень техногенных и экологических опасностей. Естественное постоянное стремление общества к наиболее полному удовлетворению своих материальных и духовных потребностей влечет за собой увеличение масштабов производства, сопровождающееся накоплением отходов. Наибольший вклад в техногенную нагрузку на окружающую их среду вносят предприятия горно-добывающей и перерабатывающей отраслей.
Размеры земельных отводов крупнейших ГОКов измеряются тысячами гектаров
отчуждаемых и нарушенных земель. Разработка месторождений сопряжена также с потерями ценных компонентов в отходах при некомплексной переработке минерального сырья. В результате процессов ветровой и водной эрозии загрязняющие компоненты мигрируют с территории техногенных массивов и формируют техногенные гидро- и литохимические ореолы и потоки.
Наиболее значительна техногенная нагрузка в районах складирования сульфидсодержащих отходов. Вследствие окисления сульфидной серы происходит формирование кислых дренажных вод и лито- и гидрогеохимических ореолов загрязнения с крайне низкими значениями рН, что приводит к
150—-—______________
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 154
полному уничтожению растительности, трансформации состава покровных отложений, поверхностных и подземных вод.
Несмотря на высокую экологическую опасность сульфидсодержащих техногенных массивов, до настоящего времени не существует методов комплексной количественной оценки их воздействия на компоненты природной среды, базирующихся на общепринятых критериях опасности для объектов экологической защиты: атмосферного воздуха, природных вод, приповерхностных отложений, биотических компонентов, человека. Как правило, мониторинг техногенного воздействия хранилищ отходов основывается на методах анализа выборочных проб или производится по валовому содержанию загрязняющих веществ в массиве, что порождает ошибочные оценки сложившейся ситуации.
Основным недостатком существующих процедур исследования опасности отходов является определение уровня их загрязнения по концентрации или валовому содержанию загрязняющих веществ без учета их физико-химических свойств и свойств пород, на которые складируют отходы.
В настоящее время экологический мониторинг сульфидсодержащих техногенных массивов базируется на применении тестов (кратковременных или продолжительных) по выщелачиванию образцов из исследуемых отложений.
Кратковременные тесты (тесты в статических условиях) являются законодательно закрепленными методами оценки риска загрязнения в большинстве европейских стран, Канаде, США и Японии. Суть их заключается в том, что предварительно взвешенную пробу отходов помещают в определенное количество жидкости и выдерживают с перемешиванием или без него в течение времени, не превышающего 36 ч. По окончании теста производится разделение фаз и инфильтрат анализируется на интересующие компоненты. Для быстрого достижения состояния экилибра или псевдоэки-либра проба измельчается, т.е. помещается в наихудшие условия, когда в жидкую фазу переходит максимальное количество загрязняющих компонентов. Среди основных
причин широкого применения кратковременных тестов назовем следующие:
• минимальные затраты времени, средств, материалов для организации опыта;
• возможность воспроизведения исследований в широком круге условий (например, Eh-pH-обстановки);
• возможность исследования физико-химических процессов во времени при повторном выщелачивании одной и той же пробы.
Продолжительные тесты (тесты по балансовой схеме) предполагают проведение экспериментов в течение двух недель и более (до трех месяцев). В этом случае отходы помещают в колонну, через которую фильтруется жидкость, которая затем собирается и анализируется. В длительных экспериментах создаются условия, более близкие к реальности:
• не производится обработка пробы;
• опробуется значительная масса отходов;
• создается реальная модель фильтрации, что позволяет исключить, в определенной мере, влияние гетерогенеза и оценить кинетику процесса.
Недостатком продолжительных тестов оценки техногенного воздействия загрязненных пород на природные воды является невозможность их нормативного закрепления вследствие крайнего разнообразия химического, минералогического, гранулометрического составов твердых отходов. В каждом отдельном случае схема эксперимента должна корректироваться. Кроме того, продолжительные тесты требуют дорогостоящего оборудования, квалифицированного персонала, значительных затрат времени, что затрудняет постановку повторных экспериментов и серийных опытов.
В ряде случаев, когда содержание сульфидной серы не превышает 5 % или складированные отходы представлены отложениями крайне разнородными по составу, тесты по выщелачиванию становятся малодостоверными или чрезвычайно продолжительными и соответственно дорогими.
Достоверность применяемых тестов проверялась в исследованиях сульфидсодержащих техногенных массивов различно-
_ 151
Санкт-Петербург. 2003
Рис. 1. Процедура экологического мониторинга сульфидсодсржащих хранилищ отходов
го генезиса. Гипергенные преобразования отходов ОАО «Фосфаты» (эфелей и глауко-нитовых супесей) изучались в динамике: ежегодно, на протяжении 5 лет на заданных участках хвостохранилища I и рекультивированного в сельскохозяйственном направлении участка карьера 7 отбирались пробы, которые анализировались кратковременными и продолжительными тестами. Глауко-нитовые супеси и эфеля являются сульфид-содержащими отходами добычи и переработки фосфатов Воскресенского месторождения, содержащими 2-5 % пирита. Проведенные работы показали, что кратковременные тесты не фиксируют тенденции формирования кислых дренажных вод в массиве*.
Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду. СПб: Наука, 2000. 270 с.; Пашкевич М.А. Экологический мониторинг водной и воздушной миграции загрязняющих компонентов территории хранилищ сульфидсодержащих отходов / М.А.Пашкевич, Ю.В.Шувалов // Записки Горного института. СПб. 2001. Т. 149. С. 166-170.
Для повышения достоверности прогнозов проводились длительные (в течение 1,5 лет) эксперименты с глауконитовыми супесями, содержащими 2-5 % пирита и наносимыми в качестве искусственной почвы на территории сельскохозяйственного освоения (ОАО «Фосфаты»).
Натурные исследования показали, что уже за первый год выветривания рН водных вытяжек, сделанных из пород с содержанием пирита до 2 %, упал с 7,2 до 5,6, а за три последующих года снизился до 3,2. Длительные наблюдения за водным непрерывным выщелачиванием из глауконитовых песков показали, что на протяжении первых восемь месяцев показатель рН практически не изменился, а за последующие восемь месяцев упал с 7,0 до 4,3.
Таким образом, результаты, полученные в опытах по выщелачиванию пород с низким содержанием сульфидов, показывают на необходимость постановки длительных опытов, так как если бы опыт проводился по общепринятой методике и длился три месяца, тенденция формирования кислотного потенциала не была бы выявлена.
Предлагаемый специальный тест с высокой достоверностью и в течение нескольких часов позволяет оценить риск формирования кислых дренажных вод (КДВ) суль-фидсо держащими породами. Экспресс-метод базируется на определении следующих показателей (рис. 1):
• кислотного потенциала породы (АР),;
• щелочного потенциала породы (NP);
• коэффициентов потенциальной опасности кислотного заражения территории NNP = NP - АР и NNF = NP/AP.
Кислотный потенциал породы устанавливается, исходя из химического анализа породы путем пересчета процентного содержания сульфидной серы 8сулЬф в процентное содержание серной кислоты, формирующейся при выветривании породы:
q _с M.m.H2SQ4
где М.м. и А.м. - соответственно молекулярная и атомная массы.
152_ _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 154
Затем содержание серной кислоты пересчитываете я в АР. который, как и ЫР, измеряется в единицах, эквивалентных массе кальцита СаСОз в тоннах, необходимой на нейтрализацию массы сульфидсодержащих пород в килотоннах.
При нейтрализации серной кислоты по реакции
СаСОз + Н2804 ->■ Са304 + С02 + Н20
формула для расчета кислотного потенциала примет вид
АР = $
сульф"
М.м СаС03 А.м.Б
Для расчета щелочного потенциала используются результаты соляно- или сернокислотной атаки сульфидсодержащей породы до фиксированного значения рН, Установлена зависимость способности сульфид-содержащей породы формировать кислоту от кислотного и щелочного потенциалов за-складированных отложений (рис.2).
Результаты экологического мониторинга сульфидсодержащих техногенных массивов с помощью метода кислотно-щелочного баланса полностью коррелируются с резуль-
АР, г'кг СаСОэ то-.
2$о и Формирование кисло-! ты со 100-процентной
д/»л.(/1 = 05 Потенциальная способность к формнроьзнию кислоты
50 100 150 зоо г/кгСаСО,
Рис.2. Зависимость способности сульфидсодержащей породы формировать кислоту от знамений ИР и АР
татами натурных наблюдений, проводившихся на протяжении 4-6 лет.
Таким образом, разработанная технология экологического мониторинга техногенных сульфидсодержащих массивов позволяет с высокой точностью и экспрессностью получать комплекс показателей, необходимых для планирования защитных мероприятий. Результаты исследований внедрены на ОАО «Североникель» и ОАО «Фосфаты». Кроме того, по результатам исследований защищена докторская и кандидатская диссертации, подготовлены два учебных и четыре методических пособия.
___—_ 153
Санкт-Петербург. 2003
