CC BY
280
_________________________________ © В.И. Демкин, А.А. Харионовский,
Н.Н. Гусев, Е.Л. Счастливцев, В.Ю. Каплунов, Кирш Йорг,
2009
УДК 622.5
В.И. Демкин, А.А. Харионовский, Н.Н. Гусев,
Е.Л. Счастливцев, В.Ю. Каплунов, Кирш Йорг
К ПРОБЛЕМЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ШАХТНЫХ ВОД В РОССИИ
Дана характеристика основных способов и методов опреснения шахтных вод. В качестве перспективного обозначен способ обессоливания с получением при этом полезных продуктов.
Ключевые слова: комплексная переработка, минерализованные, шахтные воды.
А ктуальность темы. При добыче подземных ископаемых
-^1 на дневную поверхность выдается большое количество шахтных, рудничных, карьерных и дренажных вод (далее шахтных вод). В угольной промышленности удельный объем шахтных вод составляет в среднем 1,8 м3 на тонну добытого угля, что превышает расход воды на производственные и хозяйственно-бытовые нужды в 4,3 раза. Формирование шахтных вод особенно при подземной добыче происходит в основном за счет подземных вод водоносных горизонтов, вскрываемых горными выработками и подпитывающих их более нижних водоносных горизонтов.
На территории России содержание минеральных солей в шахтных водах предприятий достигает 20-30 г/дм3. Проблема очистки и переработки минерализованных вод соотносится с интересами населения на значительных территориях углепромышленных регионов страны, являясь одним из главных препятствий для обеспечения экологически безопасных условий жизнедеятельности людей. Высокой минерализацией отличаются шахтные воды Восточного Донбасса и Челябинского угольного бассейна. Сравнительно низкой минерализацией (до 3 г/дм3) характеризуются воды на отдельных шахтах Кузнецкого угольного бассейна, а также в других угольных бассейнах. В целом по угольной промышленности доля шахтных вод с повышенной минерализацией (свыше 1 г/дм3) составляет в настоящее время порядка 20% от общего объема.
Минерализованные шахтные воды находят пока ограниченное использование в производственном водоснабжении шахт и смежных с ними производств и в основном сбрасывается в природные водные объекты. Предельно допустимая концентрация (ПДК) минеральных солей в водных объектах рыбохозяйственного, хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования установлена на уровне 1 г/дм3. Кроме того, имеются ПДК на ряд катионов и анионов (№, ^ Ca, Mg, Fe, И, SO4 и др.). Сброс минерализованных шахтных вод оказывает пагубное воздействие на флору и фауну водоемов, а при длительном воздействии приводит к их засолению.
Действующие на предприятиях угольной промышленности очистные сооружения не рассчитаны на удаление из шахтных вод растворенных минеральных солей, а известные в мировой практике специальные способы и технологии снижения минерализации природных и сточных вод, их опреснения и деминерализации не нашли широкого применения в континентальных условиях. В связи с изложенным проблема очистки (переработки) минерализованных шахтных вод горнодобывающих предприятий, в том числе угольной промышленности, представляется весьма актуальной, решение этой проблемы имеет важное научное и практическое значение.
Оценка и характеристика проблемы. В некоторых зарубежных странах снижение негативного воздействия минерализованных шахтных вод на природные водные объекты достигается применением прудов-накопителей с регулируемым сбросом накопленных шахтных вод в зависимости от изменения расхода воды в водотоках и прудов-испарителей, не имеющих сброса в природные водоемы и водотоки.
Применение этих методов в природно-климатических условиях угольных бассейнов и месторождений Российской Федерации весьма ограничено (пруды-испарители), не дает высокого эффекта и требует изъятия из землепользования значительных территорий (пруды-накопители).
В настоящее время в мире выполнено значительное количество научно-технических разработок и накоплен определенный опыт по опреснению морской воды с целью получения питьевой воды и сточных вод некоторых производств для повторного использования. Непосредственно перенести эти разработки и опыт на шахтные воды невозможно по целому ряду причин. Однако их глубокое
изучение и использование в исследованиях крайне необходимо и важно.
В результате поискового изучения проблемы, учета имеющихся условий, критерию новизны будут соответствовать результаты основанные на: изучении химического состава минерализованных шахтных вод для выбора наиболее эффективных и экономичных способов опреснения (деминерализации); исследовании способов опреснения с целью получения при опреснении минимального объема рассола с максимальным содержанием в нем солей; поиске рациональных способов разделения рассола с выделением отдельных компонентов и получением товарных продуктов, пользующихся спросом на рынке; исследовании способов обработки образующихся рассолов для превращения их в продукты для экологически безопасного размещения в окружающей среде.
В России важно организовать проведение аналитических и экспериментальных исследований в связи с отсутствием в зарубежных странах аналогичных исследований и разработок. Однако одновременно необходимо изучение технико-техни-ческих возможностей эффективного использования в российском производстве зарубежных наработок.
Приоритеты. В качестве предпочтительного объекта исследования (среди горно-добывающих отраслей) оцениваются минерализованные шахтные воды предприятий угольной промышленности с содержанием растворенных минеральных солей свыше 1 г/дм3, которые откачиваются или самопроизвольно изливаются на дневную поверхность, сбрасываются в природные водные объекты, вызывая их загрязнение.
В результате исследований и разработок важно найти технологическую возможность использования минерализованных шахтных вод для различных производственных предприятий. Требуются эффективные способы опреснения шахтных вод и извлечения из них солепродуктов.
Поисковые решения.
На этапе поиска решений с предложением использовать реа-гентные методы обработки, выяснился их основной недостаток - на 1 кг выводимых солей необходимо применить почти столько же дополнительных химических реагентов. При этом требовались дополнительные затраты на специальные бетонные сооружения для обеспечения режимов водоочистки. В качестве перспективного
оценивается решение специалистов угольной отрасли начать разработку темы обессоливания шахтных вод с получением при этом полезных продуктов. В 1990-х годах были разработаны научнотехнические программы освоения новых методов опреснения. Однако, из-за отсутствия дефицита питьевой воды при высокой стоимости проектов обессоливания, программные намерения по масштабной деминерализации не были реализованы (за исключением отдельных решений в угольной, металлургической, атомной, химической и энергетической отраслях). Однако в целом идея получила признание. Приоритеты технологических внедрений начали закрепляться за западными странами. Однако в России появились перспективные промышленные мембранные установки опреснения воды, которые в силу различных причин не были реализованы.
Параллельно с перспективным направлением развивались новые технологические способы очистки (электрохимический и биотехнологический). Однако они могли быть использованы лишь на этапе доочистки воды с целью обеспечения питьевых кондиций, а поэтому экологический аспект проблемы, и, в частности, обеспечения малоотходности технологии практически полностью игнорировался. Процесс водоочистки с выделением чистой воды в любом случае происходит параллельно с образованием концентратов загрязнений (шламы, осадки веществ, рассолы) потенциально опасные для окружающей среды. Это предопределяет необходимость экологизации технико-техно-логических решений в очистке шахтных вод.
Перспективы в разрешении проблемы заложены только в комплексном подходе переработки шахтных вод, при котором возможно получение номенклатуры полезных для жизнедеятельности людей продуктов: чистая питьевая вода, вещества и материалы с потребительскими свойствами (пищевая соль, кальцинированная сода, магний и железо для металлургического производства и другие).
Основные характеристики полезных продуктов переработки
вод.
К основным видам полезных продуктом можно отнести следующие: поваренная соль, являющаяся биржевым продуктом. Цена в зависимости от качества изменяется в пределах от 40 до 60 долларов США за 1 т; соединения кальция с продуктами,- сухой хлорид кальция (для производства стройматериалов), раствор (для даль-
нейшего получения мела, для очистки дорог от снега), а также гашеная известь (для производства стройматериалов); соединения магния,- востребованы на рынке при цене 290 долларов США за одну тонну хлорида магния и 2500 долларов США за одну тонну металлического магния. Соединения магния широко применяются в металлургии (производство алюминиевых сплавов, чугуна, огнеупоров), сельском хозяйстве (добавки к удобрениям и кормам), а также в химии, фармацевтике, производстве строительных материалов и машиностроении; пресная вода. Дефицит пресной воды как питьевого, так и технического качества в горнопромышленных районах предопределяет наибольшую востребованность и ценность этого продукта.
В условиях рыночной экономики и усугубляющегося дефицита питьевых вод минерализованные шахтные воды следует рассматривать как потенциально ценный источник минерального сырья. В случае рациональных решений возможна частичная окупаемость проекта деминерализации вод. Такие решения видятся в случае комплексной переработки шахтных вод. На рис. 1 представлена принципиальная схема комплексной очистки и переработки шахтных вод, применительно к водоотливному комплексу одной из шахт Ростовской области (Восточный Донбасс).
В концепции комплексной технологии наряду с традиционными реагентными методами концентрированного выделения продуктов из рассолов предлагается использовать современные мембранные и сорбционные методы.
Современный уровень производства при широком ассортименте полупроницаемых мембран, фильтрующих и сорбционных материалов, позволяет обеспечить практически любые мощности производства и получить более чистые компоненты из рассолов обессоливающих установок. Такого уровня технологическое обеспечение характеризует комплексную переработку шахтных вод практически как безотходную.
Представляется целесообразным с участием специализированных организаций в короткие сроки создать и внедрить небольшой производительностью опытно-промышленную установку по очистке шахтных вод с использованием мембранно-сорбционных методов.
Рис. 1. Принципиальная схема комплексной очистки и переработки шахтных вод на водоотливном комплексе
Ее внедрение позволит в режиме реального времени получать исходные данные для проектирования требуемых крупных станций с различными типоразмерами производительностями (при средней - 500 м3/час) с учетом опыта проектирования, строительства, и эксплуатации мембранных опреснительных установок.
Исходная солоноватая шахтная вода
Электроосмотическое концентрирование рассолов
і
Концентрат на иловые площадки с дальнейшей переработкой для производства продуктов
Рис 2. Принципиальная схема процесса комплексной очистки шахтных вод
Для разработки опытно-промышленной водоочистной установки были приняты характеристики и химический состав шахтных и поверхностных вод в районах влияния одной из ликвидируемых шахт (табл. 1).
С учетом результатов анализа качества воды была разработана принципиальная схема процесса очистки шахтной воды на опытнопромышленной (пилотной) установке (рис. 2).
Дезодорация и бактерицидное обеззараживание опресненной воды
Питьевая вода по ГОСТ
216
Характеристика шахтных и поверхностных вод в районах влияния ликвидируемых шахт
Пункты наблюдений
Содержание компонентов химического состава воды, мг/дм
РН Ш++К+ Са2+ Мд2+ 80„2- С1- НСО3- Feобщ ост.
ПДК компонентов в воде водоемов и водотоков питьевого водопользования 6,5-8,5 200 180 40 500 350 не норм 0,3 1000
Шахтная вода из коллектора 6,6 948 253 220 2279 482 674 18.06 4725
Шахтная вода из клет.ствола 6,5 941 257 209 2168 477 777 23,58 4640
Шахтная вода из-под породного отвала 3,7 0 896 2551 8799 1845 0 438,7 14851
На реке - в 100 м выше сброса шахтной воды 6,9 526 179 131 1198 281 374 3,49 2962
На реке в 100 м ниже сброса шахтной воды 7,3 897 249 201,9 2056 460,9 744,2 12,7 4350
На реке в 3 км ниже сброса шахтной воды 7,6 382 227 226 1700 355 500 0,29 3438
Стадии кондиционирования продуктов будут в основном представлены оборудованием поискового масштаба, поскольку расходы потоков на этой стадии незначительны.
После электрохимического концентрирования рассолов концентрат будет направляться на иловые площадки с дальнейшей переработкой и получением ценных товарных продуктов (таких как натрий в виде NaCl или NaOH, кальций в виде CaCl2 или Ca(OH)2, магний в виде MgCl2 или MgO2). То есть по предложенной схеме возможно практически мало- и безотходное производство деминерализации вод с учетом требований обеспечения экологически безопасной обстановки в районах крупномасштабного закрытия шахт и разрезов.
Резюме.
Реализация результатов исследований должна позволить получить дополнительный источник пресной воды для восполнения хозяйственно-питьевых и производственных потребностей шахтерских городов и поселков. Полученная вода должна быть надлежащего качества, предотвратить загрязнение водных объектов растворенными минеральными солями. Потребителями технологии комплексной переработки минерализованных шахтных вод могут быть угольные компании, акционерные общества и предприятия, находящиеся в Кузбассе, Восточном Донбассе, Челябинском и других угольных бассейнах, а в перспективе - предприятия других горнодобывающих отраслей промышленности. Первым этапом реализации данной технологии является строительство и испытание опытнопромышленной установки комплексной переработки предпочтительно на одной из шахт углепромышленного региона.
Выводы
1. Проблема очистки и комплексной переработки высокоминерализованных шахтных вод до сих пор не разрешена. При откачке шахтных вод и ее сбросе на рельеф происходят засоление почвы и изменение состава водоемов-приемников, что требует затрат на ликвидацию таких техногенных последствий.
2. Установлено, что основными компонентами в сбрасываемых шахтных водах являются соединения железа, натрия, кальция, магния.
3. До настоящего времени среди основных технических методов водоочистки шахтных вод остается их отстаивание в прудах-накопителях с последующим сбросом в водоемы. Дополнительно применяемые методы с фильтрацией и обработкой воды позволяют снизить содержание в ней твердых взвесей и железа, однако не обеспечивают очистку от вредных растворенных веществ. Снижение токсичности воды оценивается на уровне 5-10 процентов.
4. Разрешение проблемы очистки и переработки минерализованных вод соотносится с интересами населения на значительных территориях углепромышленных регионов страны, являясь важным условием для обеспечения экологически безопасных условий жизнедеятельности людей.
5. В условиях признания дефицита питьевой воды в районах селитебных территорий, в государственной политике России должно быть предусмотрено выделение средств на программу комплексной переработки высокоминерализованных шахтных вод, а также предотвращение сброса недостаточно очищенных соленых и кислых вод.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сидоренко О.А., Демкин В.И.: Электродиализная станция опреснения с аппаратом ЭДА 1500x1000. Журнал Технический прогресс в атомной промышленности серия: Промышленная технология и радиоэкология, выпуск 1, 1992 г. с 2931.
2. Сидоренко О.А.: Автореферат диссертации «Совершенствование технологии электродиализного опреснения воды озера Балкаш, М. 1991 г.
3. Щадов В.М., Агапов А.Е., Каплунов Ю.В., Навитний А.М. Научнотехнические разработки по охране водных ресурсов и очистке сточных вод в угольной промышленности: Обзор - М., 2003. - 116 с.
4. Гусев Н.Н. К вопросу использования шахтных вод в качестве источника водоснабжения в углепромышленных районах. 20 лет кафедре экономика природопользования. Юбилейный выпуск научных трудов, - МГГУ, 2007 г.
5. Докладная записка по деминерализации шахтных вод/ ВНИИОСуголь.-г. Пермь.- 1990.
6. Агапов А.Е., Навитний А.М., Каплунов Ю.В., Харионовский А.А. Шахтные каьерные воды предприятий угольной промышленности: Справочный обзор. - М. : Центральный издательский дом. - 2007. - 357 с.
7. Доклад «Комплексная переработка шахтных вод с использованием мембранно-сорбционных методов»/Демкин В.И., Навитний А.М., Гусев Н.Н., Свитцов А. А., Каплунов Ю.В.//М. - МГТУ, 2008 г. nsrj=i
Demkin V.I., Harionovsky A.A., Gusev N.N.,
Schastlivtsev E.L., Kaplunov V.Y., Kirsch Jorg
TO THE PROBLEM OF COMPLEX PROCESSING OF MINERALIZED MINE WATER IN RUSSIA
It gives the description of the main techniques and methods of demineralization of mine waters. The method of desalination accompanied by receiving of useful products has been designated as the perspective one.
Key words: complex processing, mineralized, mine waters.
___ Коротко об авторах ___________________________________________________
Демкин Вячеслав Иванович - к.т.н., научный консультант государственного унитарного предприятия города Москвы ГУП Мос НПО «Радон», участник международного консорциума «Экологическое сообщество», тел.: (916) 648-95-22, E-mail: triada@aknet.ru
Харионовский Анатолий Алексеевич - д.т.н., проф., заместитель директора открытого акционерного общества «Межотраслевой научноисследовательский и проектно-технологический институт экологии топливно-энергетического комплекса" - ОАО "МНИИЭКО ТЭК", тел.: (3422) 169-574, E-mail: mniiekotek@permonline.ru
Гусев Николай Николаевич - аспирант Московского государственного горного университета, E-mail: nikolay gusew@mail.ru Счастливцев Евгений Леонидович - д.т.н., проф., заместитель директора Института угля и углехимии Сибирского отделения РАН,
E-mail: zavlab@kemsc.ru
Каплунов Валентин Юрьевич - студент Московского государственного горного университета, E-mail: valentin-893@mail.ru Йорг Кирш - аспирант Московского государственного горного университета, тел.: (495) 236-95-47
