CC BY
44
© Б.А Бачурин, А.Ю. Бабошко, 2010
УДК 622.88:550.4
Б.А. Бачурин, А.Ю. Бабошко
О ХАРАКТЕРЕ ТРАНСФОРМАЦИИ СОСТАВА ТЕХНОГЕННОМИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА В УСЛОВИЯХ ГИПЕРГЕНЕЗА
Проведены геохимические исследования состава руд и отходов ряда горнодобывающих производств, включая оценку форм нахождения тяжелых металлов в техногенно-минеральных образованиях
Ключевые слова: минеральные ресурсы, отходы горного производства, загрязнение природных геосистем, эколого-геохимические особенности
Неделя горняка
Освоение минеральных ресурсов неизбежно сопровождается образованием значительного объема отходов горного производства (вскрышные и вмещающие породы, бедные и забалансовые руды, хвосты обогащения и т.п.). Именно объекты их складирования (породные отвалы, хвосто- и шламохрани-лища), выступающие в качестве специфических техногенных геохимических барьеров [1], являются основными источниками эмиссии широкого спектра загрязняющих веществ в окружающую природную среду. Низкая степень вторичного использования этих отходов приводит к тому, что к моменту за-вершения разработки месторождения их объем достигает максимума, а объекты отвальнохвостового хозяйства являются источником загрязнения окружающей среды и в постэксплуатационный период. При этом на данном этапе они выступают в качестве динамически самоорганизующейся природно-техногенной системы, главным признаком которой является неконтролируемый рост разнообразия форм миграции химических элементов, обуславливающий стихийно развивающуюся временную изменчивость техногенных потоков рассеяния. Незнание особенностей
поведения химических элементов в подобных техногенно-минеральных образованиях (ТМО) приводит к неадекватной оценке происходящих процессов техногенеза и возможной степени их экологической опасности для биосферы.
В настоящее время при оценке возможного загрязнения природных геосистем предложено руководствоваться суммарным экогеохимическим потенциалом литоэкологичности (геотоксичности) минералов [6]. В основу данного показателя положена оценка уровня содержания в минеральном сырье токсичных соединений по сравнению с принятыми санитарно-гигиеническими нормами (ПДК, ОДК, ОБУВ) для компонентов окружающей среды. Этот же принцип обычно используется при оценке экологической опасности образующихся отходов горного производства, что не всегда адекватно отражает условия их образования и характер трансформации под влиянием гиперген-ных факторов.
В том случае, когда процессы добычи и обогащения полезных ископаемых пространственно разделены в отдельные производства, отходы горного производства представлены вскрышными и вмещающими породами с характерным для них
природным спектром токсичных элементов. Складируемая в отвалы масса разнородна по своему составу и включает примесь рудного материала, что обусловливает повышенное содержание в них спектра соединений (в том числе и экологически опасных), характерных для добываемого минерального сырья. Все химические соединения находятся в них в виде слабо преобразованных природных минералов, подвергнутых лишь незначительному механическому изменению и фракционированию в процессе рудоподготов-ки (дробление, измельчение, грохочение и т.п.). Незначительное изменение их концентраций может быть обусловлено лишь за счет гравитационного перераспределения дезинтегрированных горных масс и повышенной сорбционной способности мелкодисперсных фракций. Оценка возможных масштабов концентрации тех или иных элементов в этих отходах может быть произведена с учетом фракционного распределения различных по природной литоэкологичности минералов и действия механических геохимических барьеров.
Более значительное преобразование состава отходов, по сравнению природным геохимическим обликом добываемых руд, происходит в процессе обогащения и переработки полезных ископаемых. Разнообразие минералогического состава руд обуславливает широкий спектр используемых технологий обогащения, сочетающих различные режимы измельчения руд, способы раскрытия минералов и отделения полезных компонентов от пустых пород. Это приводит не только к изменению минералогического состава перерабатываемого сырья, но и к протеканию различных физико-химических реакций, способствующих перераспределению соединений между получаемым продуктом и образующимися отходами обогащения. Формирующиеся в ходе данных процессов специфические геохимические обста-
новки (технологические геохимические барьеры), приводят к концентрации в отходах микроэлементов, сопутствующих основным полезным компонентам [2]. Это обуславливает формирование специфических техногенно-минеральных образований (ТМО), которые отличаются от исходного минерального сырья как содержанием, так и ассоциацией химических элементов. Особенно значительное преобразование геохимического облика образующихся отходов отмечается при использовании флотационного способа обогащения полезных ископаемых, отличительной особенностью которого является формирование сложных органоминеральных комплексов с участием технологических химреагентов [3].
Таким образом, многие из отходов горно-обогатительного производства представляют собой сложные поликомпо-нентные комплексы, не имеющие природных аналогов и требующие исследования экологической опасности и особенностей поведения в окружающей среде. Следует отметить, что, несмотря на значительный объем исследований, оценка и экологическое нормирование ТМО, как потенциальных источников потоков поллютантов, в значительной степени затрудняется в связи с недостаточной изученностью форм их нахождения в составе минеральной фазы отходов и степени их геохимической подвижности. Кроме того, очень слабо исследованы закономерности геохимической трансформации состава ТМО в объектах складирования. Вместе с тем, результаты обследования разновозрастных отвалов и хвостохранилищ свидетельствуют, что под воздействием гипер-генных факторов происходит существенная трансформация состава складированных отходов, приводящая к изменчивости структуры формирующихся техногенных потоков рассеяния.
С целью уточнения вышеперечисленных аспектов в Горном институте УрО РАН выполнен комплекс геохимических исследований состава руд и отходов ряда горнодобывающих производств (калийного, угледобывающего, меднорудного, хромитового, бокситового). Исследования включали оценку форм нахождения тяжелых металлов и органических поллютан-тов в ТМО и характера их перераспределения системе «руда - отходы - стоки». Учитывая, что одним из основных факторов, влияющим на преобразование ТМО и масштабы эмиссии поллютантов в природные геосистемы, являются атмосферные осадки, комплекс исследований дополнен экспериментальным моделированием поведения систем «отходы - вода» (последовательное 4-5-кратное растворение в дистиллированной воде).
При оценке уровня загрязнения отходов тяжелыми металлами (ТМ) в большинстве случаев обычно оценивается только их валовое содержание, дающее представление об общем уровне их содержания в изучаемом объекте. При этом не учитывается, что значительная часть их прочно связана с минеральной матрицей и практически не участвует в миграционных процессах, т.е. во многих случаях создается мнимая картина об уровне экологической опасности отходов для окружающей природной среды. Вместе с тем, при оценке экологической опасности отходов важно знать не столько общее количество содержащихся в них вредных веществ, сколько возможную массу их перехода по цепочке «отходы ^ техногенные потоки загрязнителей ^ окружающая среда». Поэтому исключительно важное значение приобретает оценка геохимической подвижности соединений ТМ, то есть их способности переходить из твердой фазы в жидкую, мигрировать в природные ландшафты и поглощаться растительностью.
В настоящее время для оценки подвижных форм ТМ принято определение их содержания в различных вытяжках из грунтосмесей ТМО. В качестве экстрагентов используют воду, ацетатноаммонийный буферный раствор и растворы кислот. Наличие ТМ в водной вытяжке характеризует их растворимость и миграционную активность в ионной форме и может использоваться для оценки возможных масштабов загрязнения гидросферы. Ацетатно-аммонийный буферный раствор моделирует действие почвенных растворов и позволяет оценить содержание «подвижных» форм ТМ, представленных водорастворимыми, ионообменными и непрочно сорбированными соединениями, доступными для питания растений. Содержание кислоторастворимых форм ТМ (извлекаемых горячим раствором 5н НЫ03) позволяет предвидеть масштабы возможного усиления потока ТМ при изменении окислительно-восстановительных условий среды их нахождения, когда в мобильную форму будет переходить дополнительное их количество, представленное сульфидами и оксидами. Можно условно принять, что последняя фракция характеризует максимальное содержание потенциально-подвижных форм ТМ.
Как показали результаты исследований (табл. 1), доля кислоторастворимых форм ТМ в отходах, отражающая потенциальное количество миграционно-способных соединений, колеблется от 5 до 78% их валового содержания, при наиболее часто встречающихся значениях 10-30%. Доля подвижных форм ТМ обычно не превышает 10% валового содержания. Еще меньшее количество (не более 1.0-2.5%) приходится на водорастворимые соединения ТМ. Лишь в отходах, содержащих сульфидные минералы (Гайский ГОК, Ки-зеловский угольный бассейн), содержание
водорастворимых соединений ТМ достигает 5-18%.
Наиболее высокий уровень накопления в отходах потенциально-подвижных и подвижных соединений ТМ зафиксирован для отходов флотационного обогащения, что обусловлено возникновением в данном технологическом процессе обстановок различных физико-химических барьеров, приводящих к их связыванию в виде сложных органо-минеральных комплексов с участием технологических химреагентов. В качестве примера, отражающего влияние данных технологических геохимических барьеров на накопление в отходах различных форм ТМ, приведем результаты исследования глинисто-солевых шламов Верхнекамского месторождения калийных солей (табл. 2).
Принятая технология обесшламлива-ния калийных руд с использованием анионоактивных органических реагентов приводит к формированию сорбционного геохимического барьера, обуславливающего повышенное, по сравнению с калий-
ными рудами, содержание в глинистосолевых шламах подвижных соединений большинства тяжелых металлов. Вместе с тем, снижение доли водорастворимых форм ТМ свидетельствует о том, что большая их часть находится в шламах в виде органо-минеральных комплексов, обладающих гидрофобными свойствами.
Приведенные данные показывают, что подвижные формы ТМ, способные принимать участие в техногенных потоках рассеяния и поглощаться биотой, составляют лишь незначительную часть от их общего количества, содержащегося в отходах. В связи с этим, высокие масштабы эмиссии ТМ, приводящие к сверхнормативному загрязнению природных геосистем, фиксируется лишь в случае аномально высокого содержания в ТМО их подвижных соединений. Так для отходов добычи и обогащения медноколчеданных руд (Гайский ГОК) очень высокое содержание в подвижной форме имеют медь (превышение ПДК почв в 1952 раза), свинец (КК = 10-18) и цинк
Таблица 1
Доля миграционно-способных форм тяжелых металлов (% от валового содержания) в отходах горного производства
Формы ТМ N1 еь Zn & Mn
Глинисто-солевые шламы ВКМКС
Потенциально-подвижные 78,3 47,2 61,7 24,5 32,3 68,5
Подвижные 31,6 22,2 22,3 4,3 31,8 21,5
Водорастворимые 0 0,24 0,62 0,57 0 1,1
Породные отвалы Кизеловского угольного бассейна
Потенциально-подвижные 26,5 10,5 9,6 8,4 7,6 26,4
Подвижные 6,1 1,3 3,4 2,3 2,6 5,1
Водорастворимые 1,4 0,3 0,9 0,2 0,7 1,9
Породные отвалы Сарановского месторождения хромитов
Потенциально-подвижные 19,5 10,2 33,6 1,0 19,7 14,0
Подвижные 1,9 3,7 1,8 0,02 4,2 0
Водорастворимые 0,1 0 0,3 0 0,1 0
Породные отвалы СУБРа
Потенциально-подвижные 34,4 11,9 13,3 27,6 5,1 33,6
Подвижные 9,2 1,2 1,8 6,0 1,4 7,8
Водорастворимые 0,7 0,1 0,2 2,0 0,01 0,7
Таблица 2
Коэффициенты концентрации (КК) тяжелых металлов в шламах калийного производства
Элемент Формы ТМ
кислото- растворимые подвижные водо- растворимые
Fe 0,94 1,30 0,15
Мп 0,80 1,40 0,87
Си 1,56 2,45 0,68
№ 1,44 1,99 0,57
Zn 0,97 2,35 0,33
Со 1,02 0,61 0,13
Таблица 3
Максимальные концентрации тяжелых металлов (мг/дм3) в техногенных гидрохимических потоках
Элемент Гайский ГОК Кизеловский бассейн ВКМКС СУБР
Fe 15973,0 9600,0 99,0 0,6
Мп 397,0 113,0 220,5 0,4
Си 2400,0 23,3 4,3 0,02
Zn 4978,0 23,0 8,1 0,7
№ 2,7 10,6 4,6 0,1
Со 11,3 14,0 4,9 0,06
Cd 14,4 0,5 н.с. 0,02
Сг 0,4 1,1 0,88 0,6
РЬ 0,4 0,5 11,8 н.с.
(КК=3-6). Для хромитовых отходов характерны повышенные содержания подвижных форм хрома и никеля, превышающие гигиенические нормативы в 4-10 раз.
Другой стороной процессов техногенеза являются особенности трансформации складируемых ТМО под влиянием гипер-генных факторов, приводящих к активизации процессов рассеяния ТМ. В условиях поверхностного складирования ТМО приоритетным фактором, регулирующим процессы миграции ТМ, является выщелачивание твердой фазы отходов атмосферными осадками. Вместе с тем, как показывают результаты исследования состава подотвальных и шахтных вод, во многих случаях уровень их загрязнения значительно превышает содержание в от-
ходах и рудах водорастворимых форм ТМ. В качестве примера можно привести техногенные воды меднорудного производства, в которых концентрация меди достигает 54 мг/дм3, марганца - 117 мг/дм3, кобальта - 11 мг/дм3 [5]. Высокие концентрации ТМ зафиксированы и в других шахтных, карьерных и подотвальных водах (табл. 3).
Это свидетельствуют, что гипергенное преобразование ТМО приводит к существенному повышению содержания водорастворимых соединений ТМ. Результаты экспериментального моделирования поведения систем «отходы - вода» показывают, что при последовательном многоэтапном воздействии воды, наряду с механическим растворением, в отходах протекают разнообразные деструктивные и синтетические реакции физико-химической природы, приводящие к повышению геохимической подвижности ТМ и увеличению содержания их миграционно-способных форм (рисунок).
Вода выступает при этом не только как растворяющая и транспортирующая пол-лютанты среда, а как активный реагент, способствующий разрушению прочносвязанных с минеральной матрицей комплексов и переводом соединений в подвижные формы. Особенно интенсивно это происходит при чередовании процессов растворения и осушения, что обусловлено, по всей видимости, выносом из реакционной зоны оксидов, пленки которых на поверхности минеральных зерен препятствуют протеканию дальнейших реакций [5].
Экспериментально установлено, что после взаимодействия с водой содержание в породах кислоторастворимых, подвижных и водорастворимых форм ТМ может увеличиваться в 2-6 раз по сравнению с исходной концентрацией. Наиболее интенсивно это происходит в отходах, содержащих сульфидные минералы, что объясняется влиянием процессов сернокислого гидролиза на высвобождение этих элементов из связанного состояния и образование большого количества геохимически активных соединений.
В целом, для всех исследованных отходов после взаимодействия с водой отмечено увеличение содержания кислоторастворимых и водорастворимых форм ТМ, что отражает новообразование потенциально подвижных соединений. Это позволяет сделать вывод, что атмосферные осадки выступают в качестве основного фактора, способствующего переводу части иммобильных соединений металлов в миграционно-способное состояние и значительному увеличению масштабов эмиссии ТМ в составе техногенных потоков рассеяния. Обобщение полученных данных свидетельствуют, что наибольшей растворимостью в воде обладают соединения стронция, кадмия, кобальта, меди и никеля. Соединения марганца, хрома, свинца и железа в основном связаны с нерастворимой частью минеральной матри-
цы пород и из большинства исследованных отходов выщелачиваются в незначительных количествах (не более 1.5% от суммарного содержания их потенциальноподвижных форм).
Взаимодействие отходов с водой приводит к трансформации и содержащихся в них органических соединений, что также способствует увеличению геохимической подвижности и масштабов эмиссии данного класса поллютан-тов. Доля переходящих в водную фазу органических соединений колеблется от десятых долей до 76% содержащихся в ТМО. Экспериментально доказано, что взаимодействие отходов с водой сопровождается биодеградацией содержащихся в них органических соединений: в составе водорастворенной органики наблюдается увеличение содержания функциональных производных углеводородов (кислород-, серу-, азотсодержащие структуры) при подчиненной роли углеводородных соединений, представленных насыщенными и ненасыщенными парафиновыми структурами и нафтенами. Неуглеводородные соединения представлены кислородсодержащими структурами (органические кислоты, спирты, простые и сложные эфиры), доля которых в составе водных вытяжек достигает 33-90%. Зафиксировано присутствие в составе аквабитумоидов целого
□ I в
□ II в
□ III в
□ IV в
Изменение содержания водорастворимых форм тяжелых металлов в породах отвалов при многократном воздействии на них воды (I в - исходная порода, II в, III в, IV в - порода после последовательных водных вытяжек)
Среднегодо-
вая
спектра новых соединений, отсутствующих в исходной органике и являющихся, по-видимому, продуктами ее биохимического преобразования. Исследование индивидуального состава углеводородных фракций битумоидов позволило выделить ряд органических соединений, отражающих специфику добываемого сырья и технологию его обогащения, что позволяет рассматривать их в качестве своеобразных геохимических маркеров при идентификации источников органического загрязнения гидросферы в горнодобывающих районах [4].
Следует отметить, что процесс трансформации состава отходов при их взаимодействии с водой носит весьма сложный характер, связанный с влиянием большого количества факторов на характер протекания различных гидролитических процессов. Важную роль в этих процессах играют тип минеральной ассоциации ТМО (оксидный, сульфидный, карбонатный и т.д.), кислотно-щелочные и окислительно-
1. Алексеенко ВА, Алексеенко Л.П. Геохимические барьеры. - М.: Логос, 2003. - 144 с.
2. Бачурин Б.А. Геохимические барьеры и накопление экотоксикантов в отходах горнодобывающего производства // Стратегия и процессы освоения георесурсов. - Пермь: Горный ин-т УрО РАН, 2004. - С. 33-37.
3. Бачурин Б.А. Экологические и геохимические аспекты горного производства // Горный журнал, 2005, № 12. - С. 87-90.
4. Бачурин Б.А., Одинцова Т.А. Органи-
восстановительные условия среды и многие другие факторы, сочетание которых значительно затрудняет теоретическое прогнозирование изменений в этих системах.
Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют, что трансформация состава отходов под воздействием гипергенных факторов довольно часто сопровождается коренной перестройкой их структуры, что в свою очередь способствует повышению геохимической активности и миграционной способности содержащихся в них соединений. Это показывает, что геотехническую систему «отходы - окружающая среда» следует рассматривать как мобильную динамичную систему, имеющую тенденцию к изменению своего состава во времени, что требует детального исследования их эколо-го-геохимических особенностей с учетом возможной трансформации под воздействием внешних факторов.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ческие поллютанты в отходах горнопромышленного производства // Сергеевские чтения. Инженерно-геологические и геоэкологические проблемы утилизации и захоронения отходов. Выпуск 7. - М: ГЕОС, 2005. - С. 76-81.
5. Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. - Свердловск: Изд-во Урал. ун-та, 1991. - 256 с.
6. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник. В 6 кн. Кн. 1. s-элементы. - М.: Недра, 1994. - 304 с.
г Коротко об авторах
Бачурин Б.А. - кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией, Бабошко А.Ю. - младший научный сотрудник,
Горный институт УрО РАН, arc@mi-perm.ru
