CC BY
40ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ ECOLOGY AND NATURAL RESOURCES MANAGEMENT
Обоснование применения и разработка комплекса мероприятий по защите природных вод в районе расположения хвостовых хозяйств на примере горнообогатительных комбинатов Южного Урала
Ь Л московский ■р экономический
лЛ ЖУРНАЛ
DOI 10.24411/2413-046Х-2019-19056 Харько Полина Александровна,
Санкт-Петербургский горный университет, [email protected]
Бабенко Дмитрий Александрович, Санкт-Петербургский горный университет, [email protected] Аннотация. Постоянный рост численности населения на планете, а также экономика, ориентированная на сверхпотребление товаров и услуг, ведёт к увеличению потребления материальных ресурсов. Основой производства любых материальных ценностей является горная промышленность, которая в связи с увеличивающимися объёмами добычи и переработки сырья, а также длительностью при разработке месторождений, увеличивает негативное воздействие на компоненты природной среды. В результате горного производства помимо полезной человечеству продукции (менее 10% от общих объемов добычи) образуется огромное количество отходов добычи и переработки (вскрышные породы, отходы обогащения). Размещение данных отходов зачастую занимает большую часть земельного отвода предприятий. Компоненты, входящие в состав минеральных отходов, находясь на открытом воздухе, под воздействием климатических факторов, способны трансформироваться в новые соединения и мигрировать на десятки и сотни километров от места своего первичного расположения, что приводит к загрязнению компонентов природной среды.
Summary. The constant growth of the population on the planet, as well as the economy focused on the overconsumption of goods and services, leads to an increase in the consumption of material
resources. The basis for the production of any material assets is the mining industry, which due to the increasing volumes of extraction and processing of raw materials, as well as the duration of the development of deposits, increases the negative impact on the components of the natural environment. As a result of mining, in addition to products useful to mankind (less than 10% of the total production), a huge amount of mining and processing waste (overburden, enrichment waste) is formed. Disposal of these wastes often occupies a large part of the land allotment of enterprises. The components included in the composition of mineral waste, being in the open air, under the influence of climatic factors, can be transformed into new compounds and migrate to tens and hundreds of kilometers from the place of its primary location, which leads to pollution of the components of the natural environment.
Ключевые слова: комплекс мероприятий, природные воды, защита, природная среда. Key words: complex of measures, natural waters, protection, natural environment.
ВВЕДЕНИЕ
Постоянный рост численности населения на планете, а также экономика, ориентированная на сверхпотребление товаров и услуг, ведёт к увеличению потребления материальных ресурсов. Основой производства любых материальных ценностей является горная промышленность, которая в связи с увеличивающимися объёмами добычи и переработки сырья, а также длительностью при разработке месторождений, увеличивает негативное воздействие на компоненты природной среды. В результате горного производства помимо полезной человечеству продукции (менее 10% от общих объемов добычи) образуется огромное количество отходов добычи и переработки (вскрышные породы, отходы обогащения). Размещение данных отходов зачастую занимает большую часть земельного отвода предприятий. Компоненты, входящие в состав минеральных отходов, находясь на открытом воздухе, под воздействием климатических факторов, способны трансформироваться в новые соединения и мигрировать на десятки и сотни километров от места своего первичного расположения, что приводит к загрязнению компонентов природной среды.
Природная среда районов складирования сульфидсодержащих отходов подвергается наиболее значительной техногенной нагрузке. Сульфидная сера окисляется, формируются кислые дренажные воды, вследствие чего образуются лито- и гидрогеохимические ореолы загрязнения с крайне низкими значениями водородного показателя. Это приводит к изменению состава поверхностных и подземных вод, донных отложений, почв, уничтожению фито- и биоценозов.
Для снижения подобной негативной нагрузки уже действующих на данный момент горнодобывающих предприятий на компоненты природной среды необходимо произвести оценку воздействия складируемых сульфидсодержащих отходов на окружающую среду, а также создание и внедрение средозащитных мероприятий по предотвращению этого воздействия на загрязняемые компоненты окружающей среды [2, 6].
В настоящее время Урал является одним из самых крупных горнопромышленных регионов мира. Открытие колчеданных месторождений Южного и Среднего Зауралья отмечается в бронзовом веке, освоение недр началось с 1635 года. [1]
Первым этапом переработки полезных ископаемых данного типа месторождений является обогащение, которое ведет за собой образование многотоннажных хвостов обогащения. В этой связи, к нашим дням в районах освоения этих месторождений накоплены значительные техногенные нагрузки на природную среду.
Объектами исследования являются хвостовые хозяйства Гайского горнообогатительного комбината (Гайского ГОКа) и Сибайского горно-обогатительного комбината (Сибайского ГОКа).
На рассматриваемых предприятиях добыча медных руд осуществляется подземным способом, а обогащение - флотационном методом.
Хвостохранилище Гайского ГОКа введено в эксплуатацию в 1966 году, представляет собой сооружение косогорного типа, намывное [8]. Общая площадь составляет приблизительно 190 га. Ёмкость на максимальной отметке гребня составляет 52,5 млн.м3. На Сибайском ГОКе действующее хвостохранилище имеет три секции общей площадью около 146 га и максимальной ёмкостью 27, 9 млн.м3. Первая и вторая секции введены эксплуатацию в 1965 году, третья секция - в 2001 году.
Основными задачами проведённых исследований являлись оценка негативного воздействия отходов обогащения рассматриваемых месторождений на природные воды, и снижение загрязнения природных вод за счёт предложения мероприятий по предотвращению потерь потенциального сырья техногенного месторождения в результате инфильтрации через дамбы и основание накопителей отходов.
Основная часть
Минеральный состав отходов, образующихся в результате обогащения медных руд на Гайском и Сибайском ГОКах, представлен, в основном, пиритом, халькопиритом, сфалеритом, кварцом и полевым шпатом.
В соответствии с геохимической классификацией элементов В.М. Гольдшидта, отходы обогащения характеризуются содержанием токсичных халькофильных элементов,
миграция которых за пределы накопителей отходов может привести к загрязнению природных вод и аккумуляции данных элементов в донных отложениях. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть данное утверждение, были отобраны и проанализированы пробы подземных и поверхностных вод в районе расположения хвостохранилища Гайского ГОКа, оборотной воды на обогатительной фабрике, а также из пруда-отстойника и пруда кислых рудничных вод. Карта-схема расположения точек опробования представлена на рисунке 1.
Рис. 1 — Карта-схема с точками отбора проо в районе хвостового хозяйства
Поверхностные воды отбирались из ближайшего водного объекта - руч. Ялангас, который находится в 1 км к северо-западу от хвостохранилища. Всего было отобрано две пробы: в 500 м выше по течению от хвостохранилища - проба А, и в 500 м ниже по течению - проба Б. Также были отобраны пробы в 3-х наблюдательных скважинах.
Условия отбора и доставки определялись в соответствии с ГОСТ 31861-2012. Анализ проб проводился в лаборатории Санкт-Петербургского горного университета. Катионный состав определялся при помощи эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Shimadzu ICPE-9000, анионный состав -спектрофотометра DR-5000. Результаты анализов представлены на рисунке 2.
Московский экономический журнал №9 2019
В районе расположения хвостохранилища Сибайского ГОКа были отобраны пробы донных отложений. Точки опробования представлены на карте-схеме (рисунок 3)
Камаганское „месторождение
"рХудопвэ
Тг
арагаилы
- "
т-УзяР*
Хвостохранилище
Известняковый карьер
Точка отбора
'донных отложении Рис. 3 - Карта-схема точек опробования донных отложений
В ходе мониторинговых исследований были отобраны 6 проб донных отложений реки Карагайлы (1 - до влияния предприятия, 2 - в месте возможного выхода ручья подотвальных вод, 3 - участок реки в месте смешения ручья, содержащего в себе подотвальные воды предприятия, и выпуска сточных вод очистных сооружений, 4 -участок реки перед хвостохранилищем СОФ, 5 - участок реки после хвостохранилища, 6 -место впадения исследуемой реки в реку Худолаз) и 1 проба донных отложений озера Колтубан (фоновая проба). Отбор проб донных отложений производился в соответствии с ГОСТ 17.1.5.01-80 «Охрана природы (ССОП). Гидросфера. Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность (с Изменением N 1)».
Были определены следующие формы элементов: водорастворимая и подвижная формы (разложение проб с использованием дистиллированной воды, реактивов, лабораторной посуды и весов, фильтров); валовое содержание (разложение проб с использованием микроволновой печи Multiwave 3000). Определение содержания металлов в водных вытяжках производилась на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000.
Анализ донных отложений р.Карагайлы показал, что они представляют собой источник вторичного загрязнения природных вод, виду того, что в отобранных пробах процентное содержание подвижных форм металлов достигает примерно 31% 22% ^п), 56% ^п) соответственно (таблица 1). Так же следует отметить, что содержание всех элементов в точках отбора №4 и №5 превышает содержание металлов в фоновой пробе. В точке отбора проб № 5 валовое содержание, водорастворимые, подвижные формы металлов превышают значения концентраций металлов в точке №4, что свидетельствует об инфильтрации загрязненных металлами вод хвостохранилища в подземные водоносные горизонты и р.Карагайлы.
Таблица 1
Доли водорастворимых н подвижных форы металлов точек 4 н 5
Металлы Валовое, мг/кг Доля водорастворимых форм. ¥о Доля подвижных форм, %
Точка отсора .Ч°4
Точка отсора .Ч°5
А1 57191,4 0 0
55527.0 0 0
Си 622.5 0 3
794.5 0 31
Ге 57191.4 0 0
ЙЗ1 Е5.6 0 0
Мп 724.5 0 15
1421.3 1 22
Ъл 1167.1 0 35
2237.3 1 56
На основании представленных данных был сделан вывод о том, что функционирование хвостохранилищ оказывает негативное воздействие на поверхностные и подземные воды вблизи него.
Является целесообразным гидроизоляция накопителей отходов обогащения, а также проведение мероприятий по очистке донных отложений от аккумулированных загрязняющих веществ по двум причинам:
- снижение негативной нагрузки на состояние подземных и поверхностных вод;
- сохранение полезных компонентов с целью использования отходов обогащения в качестве техногенного месторождения.
Мероприятия по снижению загрязнения природных вод
В настоящее время применяются различные способы гидроизоляции, выбор которых зависит от совокупности параметров отходов и используемых материалов. Анализ методов гидроизоляции позволяет выделить основные:
- на основе природных материалов (глины, суглинки);
- из полимерных материалов (геомембраны, геоматы);
- на основе отходов нефтедобычи;
Все перечисленные методы повышают защищенность подземных вод.
Применение в качестве водоупорного слоя природных глин крайне трудоемко: объем применяемого материала должен составлять от 0,35 до 1 м3/м2, необходима предварительная обработка перед нанесением. Минералы глин при функционировании защитного слоя подвергаются воздействию инфильтрующихся агрессивных отходов. В результате воздействия происходит изменение структуры защитного слоя с дальнейшим растворением минералов глин и в кислой, и в щелочной среде. В итоге, первоначальная прочность глин снижается, а, риск инфильтрации отходов в грунтовые воды - повышается.
Гидроизоляция сооружений с помощью геомембран весьма трудоемкий способ, а также дорогостоящий: цена за квадратный метр геомембран может достигать 700 рублей. Также, при монтаже данного слоя происходит сшивание готовых листов, что позволяет говорить о наличии швов, которые несут повышенный риск проявления дефектов целостности покрытия от воздействия различных факторов, что категорически недопустимо. Минусом способа изоляции при помощи материалов на основе отходов нефтедобычи является их токсичность и деструкция под воздействием агрессивных сред.
В качестве материалов для исследования выбраны гранулы вторичного полиэтилена низкого, высокого давления и полипропилена.
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) - воскообразный материал невыраженного цвета, получаемый в промышленности в процессе полимеризации газообразного полиэтилена. ПЭВД термопластичный полимер с плотностью 910 - 930 кг/м3. Анализ источников литературы показывает, что у данного полимера относительно большая надежность при разрыве, стойкость к многократному изгибу, ударопрочность и стойкость при влиянии пониженных температур.
Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) - в меньшей степени воскообразный полимер, чем ПЭВД, стойкий к жирам и маслам, малой стойкостью к ударной нагрузке и надежностью при многократном изгибе. Значения устойчивости к сжатию и растяжению ПЭНД и ПЭВД сравнимы. Плотность равна 940 - 960 кг/м3.
Полипропилен (ПП) - представляет собой линейный полимер, получаемый в процессе полимеризации пропилена в присутствии катализаторов. Плотность полипропилена равна 900 - 920 кг/м3. Обладает высоким значением сопротивления к нагрузке при ударе, малой надежностью при многократном изгибе, при пониженных температурах полипропилен становится хрупким.
Физико-механические свойства данных полимерных материалов и изделий из них представляют совокупность свойств, определяющих их поведение в результате воздействия внешних механических нагрузок. Определение таких свойств полимеров происходит в процессе испытаний, результаты которых позволяют выявить зависимости напряжений от деформации (диаграмма растяжения). Анализ зависимостей позволяет найти главные параметры упругости, прочности и пластичности (модуль упругости, сопротивление разрушению, предел прочности). Относительно непластичных материалов физико-механические свойства полимеров обладают рядом особенностей [5]:
- способность развивать большие обратимые деформации (сотни и даже тысячи процентов);
- релаксационный характер свойств (отношение деформаций и напряжений к продолжительности стороннего воздействия);
- зависимость физико-механических качеств от условий его изготовления, переработки и предварительного изменения (характеризуется наличием в полимерах различных видов надмолекулярной структуры с продолжительным периодом перестановки);
Для определения зависимости физико-механических свойств исследуемых материалов от температуры изготовления определен шаг, равный 10 °С и интервал от 160 до 230 °С. Общее число пластин для нахождения прочности при нагрузках на разрыв полимеров составило 63 шт.
Результаты эксперимента позволяют сделать следующие выводы:
- прочность образцов, изготовленных при различных температурах, изменяется не линейно;
- величина разрывной прочности полимеров при температурах соизмеримых с температурой плавления, не является наибольшей. Это объясняется неполной гомогенизацией материала, присутствием излишней влаги и летучих примесей;
- температуры для переработки полимерного материала в диапазоне 185 - 195 °С наиболее оптимальные;
- понижение прочности исследуемых образцов при температурах выше 200 °С определяется в связи с термическими и термоокислительными разрушающими процессами.
Разработанная технология нанесения гидроизоляционного материала заключается в нанесении обработанного путем расплавления гранул полимеров на подготовленную поверхность. Поверхность предварительно приводят к однородности: очищают от крупных кусков, корней растительности и прочее. Далее подготовленный слой выравнивают с помощью слоя глин, толщиной 20-40 сантиметров. Затем наносятся пески средней крупности толщиной слоя 15-20 сантиметров, это минимизирует нагрузку на слой глины в процессе укладки полимерного материала.
Нанесение смеси из полимеров осуществляется экструзивно на подготовленный слой при температуре 185-195 С°, после охлаждения поверхности наносится дренажный слой крупнозернистого материала (песок) толщиной 10-15 сантиметров. Далее создаются дренажный слой из коллекторных систем, подводятся системы орошения
Смесь приготавливается путем перемешивания на месте ее нанесения, после чего ее загружают в бункер экструзивно-литьевой машины, где ее подвергают электротермическому нагреву до температуры плавления 185-195 С°. Далее путем шнековой подачи на экструдер смесь в расплавленном виде наносится на подготовленную поверхность полосами 2-2,5 м, с взаимным перекрытием на 0,15-0,2 м. Перекрытие полос укладываемой полимерной смеси позволит повысить целостность всего покрытия, а также исключить необходимость сшивания покрытия, как в случае применения геомембран [5].
Основной проблемой функционирования подобного экрана является воздействие статических и динамических нагрузок и воздействие агрессивной среды (кислой, щелочной), которая приводит к достаточно быстрому, в течение нескольких лет, ухудшению прочностных свойств полимерных экранов, а затем разрушению. Введение в полимер присадок, а также нанесение пласта крупнозерного песка - рациональное решение, так как он принимает на себя распределительную нагрузку от тела массива и не нарушает целостности свойств полимерного материала.
Вторым этапом работы рассматривается очистка донных отложений следующим способом. Для изъятия донных отложений наиболее целесообразным является применение гидромеханизированного способа с использованием землесосных снарядов. Землесосный снаряд (земснаряд) представляет собой плавучую машину (судно), предназначенную для выемки и гидротранспортирования грунта со дна водоемов, действующую по принципу всасывания и оборудованную средствами для рабочих перемещений, необходимых в ходе разработки грунта. Данный способ, в отличие от других, не ведет к взрыхлению, подрыву донных отложений и вторичному загрязнению водной среды.
Высокая влага донных отложения является основной проблемой их утилизации. Широкое распространение получили методы обезвоживания в специальных контейнерах из геосинтетических материалов. Дальнейшее складирование отложений после обезвоживания необходимо осуществлять на отвалах либо в хвостохранилищах предприятия. Однако при обезвоживании донных отложений с помощью геоконтейнеров вода очищается лишь от механических примесей. Извлекаемые донные отложения содержат в себе огромные количества водорастворимых форм металлов, которые при обезвоживании осадка выносятся вместе с водой. В связи с этим перед сбросом в природный водоток необходимо отводить воды на очистные сооружения.
Для очистки воды от металлов предлагается использовать ионообменный фильтр. В лаборатории Горного университета были проведены эксперименты по оценке очищающей способности известняка Сибайского филиала АО «Учалинский ГОК» и ионообменной смолы: сильнокислотного катионита КУ-2-8 В/С ГОСТ 20298-74 Н-формы.
Для проведения лабораторного эксперимента по очистке воды от металлов из реактивов методом растворения готовится модельный раствор с заданными концентрациями ионов металлов, которые были выбраны исходя из данных мониторинговых исследований и соответствуют максимальным концентрациям водорастворимых форм ионов металлов, содержащихся в донных отложениях участка реки после хвостохранилища.
Эксперимент проводился в динамических условиях. Для этого модельный раствор непрерывно пропускался через слой загрузки. В эксперименте с использованием катионита пробы очищенной воды отбирались для анализа каждые 10 минут для фиксации «проскока», с использованием известняка - после пропускания полного объема раствора. Оценка остаточной концентрации металлов в фильтрате производилась на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000. Калибровка прибора проводилась по растворам ионов металлов (Государственные стандартные образцы) методом градуировочной кривой.
Результаты эксперимента показали, что известняк недостаточно очищает воду от металлов. Катионит пригоден для очистки воды, образующейся после обезвоживания донных отложений в геосинтетических контейнерах, однако в целях предотвращения «проскока» при расчете ионообменного фильтра необходимо учесть и правильно соотнести исходные концентрации ионов металлов в растворе, динамическую объемную емкость катионита, а так же общий объем воды, который необходимо очистить.
Выводы
Проведённые исследования подтверждают, что длительное функционирование хвостохранилищ обогатительных фабрик горнопромышленных предприятий приводит к загрязнению подземных и поверхностных вод, а так же донных отложений водотоков и водоемов.
В работе были определены физико-механические свойства вторичных полимеров при нагрузках на растяжение; разработана технология гидроизоляции, позволяющая снизить негативное воздействие на природные воды, а также сохранить сырье для потенциального вовлечения в производство.
Установлено, что утилизацию техногенных наносов рек экологически эффективно и экономически целесообразно проводить путём их изъятия гидромеханизированным способом с помощью землесосного снаряда, с дальнейшим обезвоживанием в геосинтетических контейнерах с последующей консолидацией осадка и складированием в отвалах или на хвостохранилище предприятия.
Проверено экспериментами, что образующуюся при обезвоживании донных отложений воду перед сбросом в природный водоток следует очищать от высокого содержания металлов с помощью ионитного фильтра с загрузкой в виде ионообменной смолы, катионита марки КУ-2.
Таким образом, внедрение данных мероприятий позволит значительно снизить негативную техногенную нагрузку на природные воды.
Список литературы
1. Бородаевская М.Б., Горжевский Д.И., Кривцов А.И. Колчеданные месторождения мира. Под. ред. акад. В.И.Смирнова. М., Недра, 1979, 284 с.;
2. Гальперин А.М., Фёрстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана природных ресурсов: Учебное пособие для вузов. - М: Издательство Московского государственного горного университета, 2006;
3. Лямкин Д.И. Механические свойства полимеров: Учебное пособие / Д.И. Лямкин. -Москва: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. - 64 с.
4. Макаров А.Б. // Техногенные месторождения минерального сырья. Соросовский образовательный журнал, том 6, №8, 2000.
5. Пашкевич М.А. Разработка технологии формирования гидроизоляционного покрытия на основе отходов полиэтилена и полипропилена / М.А. Пашкевич, Д.О. Акименко // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 6, ч.2. -Тула: ТулГУ, 2013. - с. 228-233.
6. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду. РИЦ СПГТИ (ТУ): СПб, 2000;
7. Почечун В.А., Мельчаков Ю.Л. Бабенко Д.А. // Применение системного подхода при изучении природно-техногенных геосистем. Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2014. Т. 19. № 5. С. 1551-1554.
8. Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности / ВНИИ ВОДГЕО. - М.: Стройиздат, 1986 - 128 с.
9. Рекомендации по проектированию и строительству шламонакопителей и хвостохранилищ металлургической промышленности / ВНИИ ВОДГЕО. - М.: Стройиздат, 1986. - 128 с.;
10. Семячков А. И., К. Дребенштедт, А. Е. Воробьёв. Геоэкология. Учебное пособие для высших учебных заведений горногеологического профиля / Под ред. акад. РАН В. Н. Большакова, акад. РАН А. И. Татаркина. — Екатеринбург: Издательство УГГУ,2012.-289 с.
