Очистка шахтных вод до питьевого качества на ликвидированных шахтах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.Н. Гусев, Ю.В. Каплунов, А.Н. Подсевалов, 2010

УДК 622.51:628.33/.35

Н.Н. Гусев, Ю.В. Каплунов, А.Н. Подсевалов

ОЧИСТКА ШАХТНЫХ ВОД ДО ПИТЬЕВОГО КА ЧЕСТВА НА ЛИКВИДИРОВАННЫХ ШАХТАХ

Дан анализ показателей существующей системы водоснабжения. Приведены решения задач защиты поверхностного водоисточника от загрязнения и повышения надежности хозяйственно-питьевого водоснабжения города.

Ключевые слова: хозяйственно-питьевое водоснабжение, сорбционная очистка шахтных вод, зоны санитарной охраны.

Семинар № 8

Ш И роблема надежного хозяй--*■ -*■ ственно-питьевого водоснабжения населения в конце 90-х годов прошлого века признана на государственном уровне как актуальная для всех промышленно развитых регионов страны. Истоки проблемы коренятся в отсутствии эффективных экономических механизмов и научно-технической базы обеспечения рационального водопользования и водопотребления в условиях загрязнения поверхностных и подземных источников водоснабжения, а также истощения запасов и ухудшения качества подземных вод.

Установлено [1] что в результате хозяйственной деятельности поступление различных химических соединений в водные объекты в десятки раз превосходит естественное поступление веществ при выветривании горных пород. Ежегодно в водоемы сбрасывается более 500 млрд м3 производственных и бытовых сточных вод, для нейтрализации которых требуется 5-12-кратное разбавление их природной водой, что в совокупности с ростом водопотребления, приводит к истощению ресурсов качественных вод.

Сопоставление основных направлений промышленной деятельности по их влиянию на водные объекты отражено в табл. 1 (с сокращением из [1]).

Из данных табл. 1 наиболее сильное воздействие на водные бассейны оказывают горнодобывающие отрасли промышленности. Среди этих отраслей масштабное негативное экологическое воздействие оказывают предприятия угольного производства. При этом по угольной отрасли к 2020 г. не исключается увеличение практически всех показателей, характеризующих негативное техногенное воздействие на компоненты природной среды по сравнению с базовым 2006 годом.

Так, к 2020 г. объем сточных вод сброшенных в поверхностные водоемы возрастет в 1,3 раза и составит 650 млн м3, ее использования - в 2,4 раза (170 млн м ), в том числе на питьевые нужды в 1,3 раза (23 млн м ). Показатели водозабора увеличатся в среднем в 1,3 раза (60 млн м3). При этом возможно увеличение в следующих федеральных окру-

гах: Северо-западном - в 1,4 раза (2 млн м3); Южном - в 1,5 раза (1,8 млн м3); Таблица 1

Сравнительная оценка воздействия различных видов промышленного производства на водные объекты

Условные обозначения:

О - отсутствие воздействия; Н - незначительное воздействие; Ср - воздействие средней силы; Си - сильное воздействие.

Сибирском - в 1,4 раза (45-47 млн м3); в Дальневосточном федеральном округе -в 1,3 раза (10 млн м3).

Отсутствие необходимого объема чистой воды уже сегодня является сдерживающим фактором обеспечения устойчивого развития промышленности в целом, в частности проблемой для углепромышленных регионов.

Разрешение этой проблемы видится, в первую очередь, в поиске эффективных технико-технологических способов устойчивого обеспечения водоснабжения населения и производства, как на государственном, так и на отраслевом уровне. Особенно оно актуально применительно как к действующим, так и ликвидируемым шахтам (разрезам).

Следует признать, что проблема очистки шахтных вод до питьевого качества

оказалась сложной для разрешения применительно к ликвидируемым шахтам. Поэтому, в горном деле актуален поиск научно обоснованных решений для обеспечения рационального водопользования в углепромышленных регионах с масштабным закрытием шахт. Основополагающей идеей для поисковых работ является потенциальная возможность использования шахтных вод ликвидируемых предприятий в качестве альтернативного источника хозяйственнопитьевого водоснабжения. До настоящего времени отсутствовала практика использования шахтных вод как питьевого источника из-за ограничений, введенных санитарными органами. В ходе реструктуризации среди других регионов появилась потребность в обеспечении качественной питьевой водой Сланцев-ского района Ленинградской области (Ленинградсланец), где в 1998 г. прекратила свою работу шахта им. С.М. Кирова.

Проектом ее ликвидации исключалось затопление из-за серьезных экологических последствий связанных прежде всего с загрязнением водоносных горизонтов летучими фенолами и солями тяжелых металлов, образуемых вследствие химической реакции при длительном контакте воды и вмещающих пород. Гидравлическая взаимосвязь водоносных горизонтов с поверхностными водотоками могла привести к загрязнению поверхностных водотоков - р. Нарова, Плюсса и Чудского озера («Гидрогеологическое заключение по шахте им. С.М. Кирова» «ВНИМИ», «МНИИЭКО ТЭК» Минтопэнерго РФ, 1996 г.). То есть ликвидация шахты затоплением могла негативно повлиять на состояние водоисточников, используемых для питьевого водоснабжения населенных пунктов

Вид промышленной деятельности Водный бассейн

поверхностные воды подземные воды

Целлюлозно- Си Н

бумажная

Строительство Н Н

Транспорт Ср Н

Топливно- Си Н

энергетическая

Металлургическая Си Н

Химическая и

нефтехимическая Си Ср

Г орнодобываю-

щая Си Си

расположенных как в Сланцевском районе, так и за его пределами.

По предложенному варианту «су-хой» консервации шахты поступаю-щая в горные выработки вода отка-чивается на дневную поверхность. При этом вода должна очищаться для последующего ее сброса в р. Плюсса - рыбохозяйственный водоем I категории. Результаты анализа воды и исследование проблемы показали, что откачиваемые из шахты подземные воды после соответствующей очистки могут служить стабильным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения города.

Расчетный расход воды для нужд водоснабжения г. Сланцы составил 19 010 м3/сут. При естественном гидродинамическом режиме водоснабжение базировалось исключительно на подземных водах. Однако интенсивный шахтный водоотлив за годы эксплуатации подземных источников привел к их определенному истощению и образованию региональной пьезодинамической депрессии, площадь которой в западной части Ленинградской области оценивается в размере 700 км2. Прогнозные эксплуатационные запасы на территории района составляют порядка 126 млн м3 в год. Утвержденных запасов подземных вод нет.

Источником водоснабжения г. Сланцы является р. Плюса, ресурсы поверхностных вод которой в створе города составляют 812 млн м3, а сток, возможный к использованию (отбору) - 353 млн мЗ. В летне-осенние месяцы дефицита водных ресурсов забирается 100 % стока, возможного к отбору по санитарным нормам. При таком водозаборе возможен ущерб водоресурсного потенциала реки. Действующая система водоснабжения города эксплуатируется более 20

лет. Водозаборные и водоочистные сооружения (ВОС) г. Сланцы работают с одним резервуаром чистой воды емкостью 6,0 тыс. м3/сут, что рассматривается как ограничивающее условие по фактору устойчивого водоснабжения города и обеспечения эффективной очистки вод по ряду ингредиентов (СПАВ, соли тяжелых металлов, радионуклиды, нефтепродукты). Поэтому при прочих равных условиях, для действующих ВОС необходим комплекс глубокой доочистки питьевой воды и обработки осадка промывных вод. В изложенных условиях перспективным является вариант использовании подземных вод бывшей шахты им. С.М. Кирова после их очистки для хозяйственнопитьевого водоснабжения г. Сланцы.

По программе производственного контроля, разработанной ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Ленинградской области», Центром комплексного экологического мониторинга был организован систематический контроль качества шахтных вод. По результатам исследований было установлено, что по большинству показателей (за исключением бария, бериллия, кадмия и фенолов) вода соответствует СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода», а значит существует возможность ее использования после соответствующей очистки для хозяйственно-питьевых нужд города. Результаты химического анализа шахтных вод ликвидируемой шахты им. С.М. Кирова представлены в табл. 2.

С учетом результатов анализов воды заданием на разработку рабочего проекта было предусмотрено строительство очистных сооружений хозяйственнопитьевого водоснабжения г.Сланцы на базе водоотливного комплекса ликвидируемой шахты им С.М. Кирова производительностью 24 тыс. мЗ/сут. с сорбци-

онной технологией очистки шахтных вод фильтрованием через адсорбенты на основе природных глин -активированный алюмосиликатный адсорбент (AAA).

Таблица 2

Химический анализ шахтных вод ликвидируемой шахты им. С.М. Кирова

іі Азот 0,25 45, 0

нитратов

і2 Сульфаты 93,50 500,0

і3 Хлориды 32,00 350,0

і4 Фенолы 0,0062 0,00і

№ Наимено- Содержание в мг/л

п/п вание загрязнений Исход-ная вода СанПиН 2.1.4.559- 96

і Взвешенные вещества 6,86 і 5,00

2 Барий і,275 0,і

3 Берилий 0,00023 0,0002

4 Кадмий 0,0і97 0,00і

5 Марганец 0,028 0,і

6 Медь 0,05і9 і,0

7 Никель 0,06 0,і

8 Стронций 0,4і 7,0

9 Хром 0,0057 0,05

і0 Цинк 0,0873 5,0

По принятой технологии сорбционной очистки шахтных вод проектируемые очистные сооружения включили: блок фильтров; узел приготовления и хранения регенерационного раствора (реагентное хозяйство); электролизную установку; насосную станцию второго подъема; цех механического обезвоживания осадка; резервуары чистой воды с камерами фильтрами-поглотителями; резервуар-отстойник грязной промывной воды. Технологическая схема водоотливного комплекса и очистных сооружений вод шахты им. Кирова производительностью 24,1 тыс. м3/сут. представлена на рис. 1.

По результатам реализации решения и в ходе технических испытаний установле-

ние 1. Технологическая схема водоотливного комплекса и водопроводных очистных сооружений шахтных вод шахты им Кирова: 1 - фильтровальный зал; 2 - садовое хозяйство; 3 - насосная станция; 4 - электролизная; 5 - цех механического обезвоживания; 7 - резервуар чистой воды, 2 шт.; V = 6000 м3 каждый; 8 - резервуар промывной воды, 1 шт., V = 700 м3. Условные обозначения тру-

1 - шахтная вода; 2 - очищенная вода после фильтров; 3 - осветленная вода из резервуара промывания воды; 4 - чистая вода для промывки фильтров; 5 - грязная вода после промывки фильтров; 6 - фугат после установки обезвоживания осадка; 7 - осадок на установку обезвоживания;

8 - осадок на вывоз; 9 - раствор гипохлорита натрия

но, что по многим показателям (органолептические, бактериологические свойства, содержание фенола) шахтная вода имеет преимущества перед используемой в настоящее время в г. Сланцы водой р. Плюссы.

Таблица 3

Характеристика загрязнений шахтных вод до и после очистных сооружений

Характеристика загрязнений шахтных вод до и после ВОС представлена в табл. 3.

С целью обеспечения эпидемиологической надежности источника водоснабжения и водопроводных сооружений от загрязнений, составе комплекса водоочистных сооружений были организованны зоны санитарной охраны (ЗСО). Установлены три пояса: первый - строгого режима - включает территорию расположения водозаборов,

Таблица 4

Сравнительная характеристика очистки вод

Параметры Существующая система Очистные сооружения

Износ Стоимость воды Источник Качество исходной воды 26 лет 7,54 руб/т поверхностный Неудовлетворительное по цветности, окисляемости, железу, марганцу, свинцу, фенолам, бактериологическим и паразитологическим показателям 6,38 руб/т подземный Неудовлетворительное в основном барию

площадок расположения всех водопроводных

сооружений и водопроводящего канала. Его назначение - защита места водозабора и водозаборных сооружений от случайного или умышленного загрязнения и повреждения. Второй и третий, пояса ограничений - включают территорию, предназначенную для предупреждения загрязнения воды источников водоснабжения.

Санитарная охрана водоводов источника подземного водоснабжения обеспечивается санитарно-защитной полосой шириной 15 м по обе стороны водовода.

Для каждого из трех поясов, а также в пределах санитарно-защит-ной полосы, соответственно их назначению, предложен специальный комплекс мероприятий, направленный на предупреждение ухудшения качества воды.

Результаты сравнительного анализа, характеризующие показатели сущест-

№ п/п Наименование загрязнений Содержание в мг/л

Исходная вода Очищенная вода

1 Взвешенные вещества 6,86 1,00

2 Барий 1,275 0,0001

3 Бериллий 0,00023 0,0001

4 Кадмий 0,0197 0,001

5 Марганец 0,028 -

6 Медь 0,0519 -

7 Никель 0,06 -

8 Стронций 0,41 0,10

9 Хром 0,0057 0,001

10 Цинк 0,0873 0,01

11 Азот нитратов 0,25 0,20

12 Сульфаты 93,50 93,50

13 Хлориды 32,00 32,00

14 Фенолы 0,0062 0,001

вующей системы водоснабжения и ВОС г. Сланцы представлены в табл. 4.

Эффективная реализация проекта и эксплуатация очистных сооружений хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Сланцы позволяет решить одновременно две задачи: защиту поверх-

1. Щадов В.М., Агапов А.Е., Каплунов Ю.В., Навитний А.М. Научно-технические разработки по охране водных ресурсов и очистке сточных вод в угольной промышленности: Обзор. - М., 2003. - 116 с.

2. Зайденварг В.Е., Навитний А.М., Семи-кобыла Я.Г.: Научные основы комплексного экологического мониторинга района закрываемых шахт. - М.: Росинформуголь, 2002. - 226 с.

3. Отчет «Центра комплексного экологического мониторинга», г. Сланцы. - 58 с.

ностного водоисточника от загрязнения и повышение надежности хозяйственно-питьевого водоснабжения города. И, что исключительно важно, создает базовую основу для реализации качественно нового подхода к использованию шахтных вод.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Международный проект LIFE04 TCY/ ROS/ 049 «План управления ресурсами подземных вод бассейна реки Нарва», г. Сланцы.

5. Материалы экологического аудита, 2007. - 20 с.

6. Навитний А.М. О ликвидации вредного влияния подземных шахтных вод на гидросферу земной поверхности», Сообщение на Международном конгрессе по горному делу и оздоровлению окружающей среды, Берлин, 2005. -

9 с. hsh=i

— Коротко об авторах

Гусев Н.Н. - Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

Каплунов Ю.В. - Государственное учреждение по реорганизации и ликвидации нерентабельных шахт и разрезов (ГУ ГУРШ), bna@gursh.ru Подсевалов А.Н. - ООО «Центрказэнергомонтаж», ckem@energo.kz

А

----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

ТУРОБОВА Ольга Николаевна Изучение закономерностей и разработка метода расчета расслоения минеральных частиц по плотности в стесненных условиях при гравитационном обогащении 25.00. і3 к.т.н.