CC BY
61
ФОРМЫ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ИЗ СУЛЬФИДНЫХ ОТХОДОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Наталия Викторовна Юркевич
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]
Ольга Лукинична Гаськова
Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-30-26, e-mail: gaskova@,igm .nsc.ru
Ольга Петровна Саева
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, инженер, тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]
Татьяна Владимировна Корнеева
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]
Приводятся результаты экспериментов по дренированию отходов четырех предприятий горнорудного производства различного состава. Эксперименты проточного типа позволили выделить две группы техногенных объектов по типу стоков, образующихся при взаимодействии сульфид-содержащих отходов с природной водой: кислые дренажи с суммарными концентрациями микроэлементов от 100 мг/л до 30 г/л и нейтральные и щелочные стоки с суммарными концентрациями микроэлементов от 1 до 1000 мг/л. Проточный эксперимент позволил доказать опасность стоков с нейтральными и субщелочными значениями рН в связи с высокими концентрациями в них элементов 1 -го класса опасности As и Be.
Ключевые слова: сульфидные отходы, кислый дренаж, металлы, миграция, геохимические аномалии, прогнозная оценка опасности, экспериментальное моделирование.
TRACE ELEMENTS SPECIES MIGRATING FROM THE SULFIDE-BEARING MINING WASTE
Nataliya V. Yurkevich
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Ph. D, tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]
Olga L. Gaskova
Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, 630090, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Prof., tel. (383)333-30-26, e-mail: [email protected]
Olga P. Saeva
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]
Tatyana V. Korneeva
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, ac. Koptyug av., 3, Ph. D, tel. (383)330-95-36, e-mail: [email protected]
The results of experiments on water-rock interaction for sulfide-bearing waste from four mining production plants are presented. Flow-type experiments have allowed to distinguish two groups of technogenic systems on the drainage’s type produced: acidic drainage with total concentrations of trace elements from 100 mg/L to 30 g/L and neutral alkaline wastewater with total concentrations of trace elements from 1 to 1000 mg/L. Flow experiments proved the danger of drainage waters with neutral and subalkalic pH values due to high concentrations As and Be -the elements of the first hazard class.
Key words: sulfide-bearing waste, acid drainage, metals, migration, geochemical anomalies, predictive hazard assessment, experimental modeling.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема загрязнения окружающей среды токсичными химическими элементами вследствие их миграции из хранилищ отходов горнорудного производства исследуется с середины XX в. и освещается в отечественной и, особенно, зарубежной литературе в работах [1-5]. Выяснение подвижности химических элементов и форм их миграции в системе «сульфидные отходы -вода» важно в теоретическом аспекте, так как современные процессы рассеяния техногенного вещества приводят к появлению широкомасштабных геохимических аномалий в верхних частях земной коры, и для управления этими процессами необходимы знания закономерностей взаимодействия природных и техногенных сред. В практическом плане, без глубокого детального понимания механизмов миграции элементов в техногенезе, невозможно создание защитных геохимических барьеров и технологий схем ремедиации загрязненных территорий. Цель работы - определить потенциальную опасность сульфид-содержащих отходов различного состава четырех горнорудных предприятий, основываясь на данных по составу дренажных стоков, формирующихся в динамических экспериментах при контакте с водой.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперименты заключались в пропускании дистиллированной воды через вещество отходов, загруженное в колонку. Для эксперимента было взято вещество четырех хранилищ отходов различного состава: Беловские клинкеры отходов пирометаллургического извлечения цинка из сфалеритового концентрата (Беловский цинковый завод, БЦЗ), пиритовые пески (отходы Карабашского медеплавильного комбината, складированные в долине р. Сак-Елга, КМК и Салаирской обогатительной фабрики в долине р. Малая Талмовая), арсенидные отходы гидрометаллургического извлечения Ni и Co из арсенидных руд (комбинат «ТуваКобальт», Хову-Аксы). На
выходе из колонок фиксировались значения рН, Eh, отбирались пробы для анализа на содержание анионов (турбидиметрия, потенциометрия), макро- и микроэлементов (ИСП-АЭС).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Отходы Беловских и Карабашских отходов при взаимодействии с водой дают кислые (рН~2.5) высокоминерализованные дренажные воды с высокими концентрациями микроэлементов (рис. 1) и сульфат-ионов (до 10 г/л), с преобладанием в макрокатионном составе Ca и Mg и повышенными концентрациями катионогенов Си, Zn, Fe, переходящими в разряд макрокомпонентов и определяющими особый техногенный тип вод:
О100 т/.л/гт/.
М,-----------------4-----------------рН, отходы КМК,
16 Ы% 49 А1 31 Ев 11 Са 7.8 (Си + 2П) 2.0
804 99.8 С10.2
Си 44 Ев 28 А1 11 2п 9.7 Mg 5.1 Са 1.9" 22 отходы БЦЗ.
Окислительно-восстановительный потенциал таких дренажных вод составляет ~+700 мВ, что свидетельствует о формировании агрессивных окислительных растворов и вследствие этого - об интенсивных вторичных изменениях сульфидного вещества.
Отходы Салаирского горно-обогатительного комбината (СГОК), и предприятия «ТуваКобальт» при взаимодействии с водой дают нейтральные и слабощелочные стоки (рН~7-9). Сульфат-ионы преобладают в анионном составе, но появляются гидрокарбонат- и хлорид-ионы. Катионный состав представлен преимущественно Ca, Mg, №.
^ 80 78 НСО14 С17.6
М35-----4------3---------рН66
. Са 73 Ш15 м 10 Мп 1.5 . отходы СГОК Талмовские пески,
БО51 НСО22 N0 22 С14.4
58 —4-------------3-3-------рН89
М 87 Ш 11 отходы «ТуваКобальт».
Если отходы КМК и БЦЗ продуцируют кислые окислительные дренажные воды с высокими концентрациями Л], Fe, Си, Zn, Cd, Pb, то отходы СГОК и ТуваКобальт становятся источниками слабощелочных стоков с повышенными концентрациями Лб, БЬ, Ве. Исключение составляет кислый дренажный раствор из отходов БЦЗ, в котором как концентрации Си, Zn, Cd, РЬ, так и Лб находятся на самом высоком уровне по сравнению с остальными растворами. Так, концентрация Лб в Беловском растворе составляет 330 мг/л, что на пять порядков выше среднего содержания Лб в речной воде [6]. Результаты проточных экспериментов с веществом отходов СГОК и предприятия ТуваКобальт демонстрируют схожую динамику выщелачивания элементов и изменений рН выходящих растворов. Концентрации
анионогенов As и Sb на порядок выше таковых для металлов и остаются значительно выше ПДК, до конца эксперимента. Отходы СГОК и «ТуваКобальт» являются перманентными источниками токсичных элементов As и Sb, которые попадают в окружающую среду с нейтральными стоками, кажущимися на первый взгляд потенциально безопасными.
Сумма микроэлементов, мг/л 100000
10000
1000
100
10
• А
□ СГОК Талмовские Пески • КМК
о ТуваКобальт дБЦЗ
□ Ш
Р
рН
Рис. 1. Суммарные концентрации микроэлементов (Л1, Fe, Mn, Cu, Zn, Cd, Pb, ^, Ni, Cr, Mo, As, Sb, Be) и значения рН в дренажных водах из отходов предприятий по результатам проточных экспериментов: СГОК -Салаирский горно-обогатительный комбинат, КМК - Карабашский медеплавильный комбинат, БЦЗ - Беловский цинковый завод
2
3
4
5
6
7
8
9
Растворы выщелачивания в ходе экспериментов с отходами Карабашского медеплавильного комбината и Беловского цинкового завода имеют стабильно низкие значения рН (2-3), несколько повышающиеся в ходе вымывания кислоты. Это позволяет отнести их к категории кислотопродуцирующих. Концентрации металлов здесь значительно выше, чем анионогенов As и Sb, и снижаются в ходе эксперимента. Идет активный вынос М, ^, &, Cd, но концентрации их падают на несколько порядков (практически до нуля) уже через 28 дней эксперимента. Содержания ^ и Zn снижаются на 2 порядка, но более медленно, и не выходят на постоянный уровень до конца эксперимента. Сравнительное поведение металлов в ходе выщелачивание хорошо согласуется с законом геохимии о большей подвижности элементов-примесей, находящихся в составе основных сульфидов (М, &, ^, Cd), в то время как минералообразующие металлы ^ и Zn длительное время остаются в составе твёрдых фаз, постепенно поступая в раствор по мере окисления сульфидов.
Изменение физико-химических условий в ходе проточных экспериментов приводит к смене форм нахождения химических элементов в растворах. При вымывании кислоты из клинкеров БЦЗ значения рН выходящих растворов снижаются, Eh растет и формы нахождения As в растворе сменяются с H2AsO4-на ассоциированную форму мышьяковой кислоты HзAsO4aq. В растворах,
вытекающих из отходов КМК, напротив, рН постепенно повышаются, Eh снижается, а преимущественной формой нахождения As становится H2AsO4-. В данных рН-Eh условиях большинство металлов, кроме катионных форм, может находиться в виде сульфатных и дигидроарсенатных комплексов MeHAsO4. Дигидро- и гидроарсенаты растворимы и токсичны, а при изменении физикохимических условий среды переходят в арсенаты с образованием вторичных
•*> |
минералов. Например, арсениосидерит Fe2 Са15^04]2(0Н)34Н20, найденный в донных осадках Беловского отстойника и отходах КМК, или ховуаксит Fe2-
•*> |
4 (Со,М,)4-15Сао-3^04]401-4(6-16)Н20, распространенный в полуокисленных рудах арсенидного кобальт-никелевого состава Хову-Аксинского месторождения (Тува, [8]).
Каждый килограмм отходов Карабашского медеплавильного комбината становится источником 18 л разбавленной серной кислоты, 320 г металлов (А1, Мп, Fe, Си, Zn, Cd, РЬ, Сг, Со, Ni), 10 мг As и 1 мг Ве - элементов 1-го класса опасности. Отходы БЦЗ продуцируют около 18 л серной кислоты, 700 г металлов (А1, Мп, Fe, Си, Zn, cd, РЬ, Сг, Со, М), 5.8 г As, 3.7 мг Ве в расчете на 1 кг вещества.
Отходы «нейтральной» группы при взаимодействии с дистиллированной водой в проточном эксперименте не являются кислотопродуцирующими, их стоки имеют щелочные и субщелочные значения рН. Но при этом, важно отметить, что они являются потенциальными источниками еще более токсичных элементов 1-го класса опасности As, Sb, Ве. Например, каждый килограмм отвального продукта предприятия «ТуваКобальт» способен отдать 1.3 г As. И даже старые, в значительной степени промытые отходы СГОКа Талмовские Пески (хвостохранилище расположено в русле реки) продуцируют до 1 г As и Ве в расчете на 1 кг вещества. Зная приблизительный объем хвостохранилищ, несложно оценить общую массу отходов и подсчитать количество кислоты, металлов и металлоидов, потенциально способных переходить в раствор при взаимодействии с природными водами.
При разработке рекомендаций по рекультивации отвалов необходимо учитывать количество подвижных форм, которые легко переходят в раствор при взаимодействии с водой. Кажущиеся на первый взгляд «безопасными» нейтральные стоки могут содержать высокие концентрации элементов 1 -го класса опасности As и Ве в подвижных формах. В то же время отстойники с кислыми дренажными водами с высокими концентрациями Си, Zn, РЬ, Ag вероятно рассмотреть как «техногенные месторождения», грамотная переработка которых может существенно снизить затраты на рекультивацию нарушенной территории.
Работа выполнена при финансовой поддержке фонда Президента РФ (грант № МК-5724.2014.5) и РФФИ (гранты №№ 12-05-33019, 12-05-31137, 14-05-00293).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бортникова С. Б., Гаськова О. Л, Бессонова Е. П. Геохимия техногенных систем. -Новосибирск: Академическое изд-во «ГЕО», 2006. - 169 с.
2. Nordstrom D. K., Alpers C. N., Ptacek C. J., Blowes D. W. Negative pH and extremely acidic mine waters from Iron Mountain, California // Environmental science and technology. -2000. - Vol. 34. - № 2. - P. 22-31.
3. Salmon S. U., Malmstrom M. E. Geochemical processes in mill tailings deposits: modelling of groundwater compositions // Applied Geochemistry. - 2004. - Vol. 19(1). - P. 117.
4. Weber P. A., Stewart W. A., Skinner W. M., Weisener C. G., Thomas J. E., Smart R. St. C. Geochemical effects of oxidation products and framboidal pyrite oxidation in acid mine drainage prediction techniques // Applied Geochemistry. - 2004. - Vol. 19. - № 12. - P. 19531974.
5. Bortnikova S., Yurkevich N., Bessonova E., Karin Y., Saeva O. The combination of Geoelectrical Measurements and Hydro-Geochemical Studies for the Evaluation of Groundwater Pollution in Mining Tailings Areas, The Handbook of Environmental Chemistry. Springer Berlin Heidelberg, ISSN: 1867-979X (Print) 1616-864X (Online), DOI: 10.1007/698_2013_234, 2013
6. Тейлор С.Р., Мак-Леннан С.М. Континентальная кора, ее состав и эволюция. Рассмотрение геохимической летописи, запечатленной в осадочных породах / Перевод с англ. Соболева Р.Н., Соболевой Л.Т. Под ред. Л.С. Бородина. - М.: Мир, 1988. - 379 с.
7. Brookins D.G. Eh-pH diagrams for geochemistry. -N.Y.: Springer, 1987. - 180 p.
8. Яхонтова Л. К., Зверева В. П. Основы минералогии гипергенеза. - Владивосток: Дальнаука, 2000. - 335 с.
© Н. В. Юркевич, О. Л. Гаськова, О. П. Саева, Т. В. Корнеева, 2014
