CC BY
14УДК 622.012.2:556.3:51
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗАТОПЛЕННЫХ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ РУДНИКОВ НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ СРЕДНЕГО УРАЛА*
© 2014 г. Л.С. Рыбникова12, П.А. Рыбников2, О.В. Тютков1
1 ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов», г. Екатеринбург
2 ФГБУН «Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук», г. Екатеринбург
Ключевые слова: водный объект, загрязняющие вещества, качество, затопление, медноколчеданный рудник.
Л. С. Рыбникова П. А. Рыбников
Выполнен анализ процессов формирования источников загрязнения в районах отрабатываемых и затопленных медноколчеданных рудников Среднего Урала. Дана оценка их влияния на состояние поверхностных водных объектов. Показано, что после завершения отработки месторождений и их мокрой консервации сохраняется высокий уровень загрязнения гидросферы.
Введение
За счет загрязненных шахтных вод формируется самый крупный поток сточных вод на Земле [1]. В связи с массовым закрытием горнодобывающих предприятий в последние десятилетия под шахтными водами следует понимать не только те, что извлекаются попутно при добыче полезного ископаемого и осушении шахт, но и образованные в результате остановки водоотлива и подъема уровня подземных вод, т. е. техногенные водоносные горизонты, водоемы, родники.
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-05-96038 «Исследование и прогноз динамики техногенной трансформации экосистем в районах функционирования горнометаллургического комплекса Урала» и в рамках проекта 12-М-23457-2041 «Освоение недр Земли: перспективы расширения и комплексного освоения рудной минерально-сырьевой базы горно-металлургического комплекса Урала».
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
После прекращения водоотлива и затопления шахт происходит заполнение депрессионной воронки, сформированной при отработке рудника, и образование очагов сосредоточенной разгрузки кислых шахтных вод, расход которой составляет примерно 50 % от расхода водоотлива [2].
В общем объеме учтенного сброса загрязняющих веществ на территории Свердловской области около 10 % поступает с шахтными водами затопленных рудников, а затраты на их очистку (порядка 300 тыс. руб. в день) покрываются из областного бюджета [3].
Цель работы - анализ особенностей формирования кислых шахтных вод на этапе отработки и после затопления, характеристика методов их очистки, оценка влияния затопленных медноколчеданных Дегтярского и Левихинс-кого рудников (Свердловская область) на водные объекты Среднего Урала.
Особенности формирования кислых шахтных вод
Формирование кислых шахтных вод при отработке медноколчеданных месторождений связано с растворением сульфидных минералов, находящихся в зоне оруденения, в процессе осушения пород при понижении уровня и насыщении кислородом подземных вод. Окисление сульфидов протекает в соответствии со следующими известными реакциями [4, 5]:
Бе82 + 7/202 + Н20 ~ Бе2+ + 2804- + 2Н+; Бе2+ + 1/402 + Н+ ~ Бе3+ + 1/2Н20; Бе3+ + 3Н20 ~ Бе(0Н)3 + 3Н+; Ре8? + 14Бе3+ + 8Н20 ~ 15Бе2+ + 2802- + 16Н+.
(1) (2)
(3)
(4)
Первые две реакции значительно ускоряются при участии бактерий: после того как рН снижается до 4, основным окислителем становится Бе3+ и скорость окисления пирита определяется реакцией (4). Тем не менее именно кислород является необходимым окислителем либо участвуя непосредственно в окислении пирита по реакциям (1) и (2), либо опосредованно через производство Бе3+ по реакции (2). Выветривание пирита - активный процесс производства кислоты в природных условиях. В случае, если отсутствуют нейтрализующие породы, рН испаряющихся шахтных вод может достигать чрезвычайно низких значений (вплоть до -3,6) [6]. Поскольку реакция окисления пирита экзотермична, шахтный воздух и вода имеют повышенную температуру, именно с этим связана опасность эндогенных пожаров при отработке медноколчеданных рудников. Для протекания процесса сернокислотного выщелачивания достаточно наличия в породе 1-2 % пирита, доступного для воды и кислорода: чем меньше
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
Таблица 1. Химический состав шахтных вод Левихинского медноколчеданного месторождения при отработке [7]
Сухой Компоненты, мг/л
шахт и горизонтов остаток г/л Ма+К Са Mg Бе Си гп А1 эо4 С1
Левиха VII, горизонт 85 м 1,2 - 84 38 86 125 - - 816 55
Левиха XII, горизонт 145 м 7,1 - 415 353 546 133 - 294 5 293 34
Левиха XII, горизонт 205 м 24,8 - 384 856 3516 214 - 1805 13 785 202
Левиха XII, горизонт 205 м 36,0 1045 938 735 4688 2548 1177 - 23 411 232
размеры кристаллов и больше поверхность окисления, тем быстрее происходит формирование кислых вод, поэтому нарушение сплошности пород при отработке руды способствует активизации процесса окисления сульфидных минералов. В естественных ненарушенных условиях такие процессы практически не происходят, для их возникновения необходимо изменение окислительно-восстановительных условий, что обычно бывает при осуществлении водоотлива и понижении уровня подземных вод на десятки и сотни метров.
При отработке Левихинского рудника установлена зависимость содержания компонентов как от продолжительности эксплуатации горных выработок, так и от глубины отработки: на глубоких горизонтах наблюдалась наиболее высокая минерализация шахтных вод (до 32-36 мг/л) и содержание всех определяемых компонентов (табл. 1).
На этапе постмайнинга состав шахтных вод по сравнению с периодом отработки изменяется: формируются более минерализованные воды, содержание большинства микрокомпонентов и редкоземельных элементов также возрастает, но при этом уменьшается содержание меди (табл. 2). Интересно отметить, что значительно различается химический состав подземных вод, находящихся в затопленных шахтах и в техногенном водоеме. Можно предположить, что пробы воды, отобранные из шахтных стволов после затопления рудника, не в полной мере отражают состав подземных вод в районе шахтного поля, возможно, вследствие гравитационной дифференциации - более минерализованные воды могут находиться на больших глубинах. Но основной причиной, приводящей к таким различиям, является то, что участки сосредоточенной разгрузки шахтных вод приурочены к зонам обрушения, в пределах которых в результате геомеханических процессов формируются новые свойства массива горных пород.
На медноколчеданных рудниках Среднего Урала при подземной добыче, как правило, используются технологии отработки с обрушением кровли выработанного пространства, что приводит к образованию провалов глубиной до 15-35 м, зон обрушения и сдвижения площадью в десятки
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
Таблица 2. Характеристика качественного состава шахтных вод медноколчеданных рудников на этапе отработки и после затопления
Левихинский рудник Дегтярский рудник
Показатели затопление
отработка* 2008 г.** 2013 г.*** отработка **** затопление
водоем шахта XIV водоем шахта XIV
рН 2,79 3,81 3,7 3,88 4,0 2,50 2,70
Сухой остаток, мг/л 11 600 39 053 550 22 240 650 8536 10 343
Б04+, мг/л 5978 25 672 228 11 896 343 5574 5916
мй2+, мг/л 340 1876 22 909 31 200 409
Си2+, мг/л 154 62 2 11 4 77 10
7и2+, мг/л 317 1755 6 487 18 260 116
Ееобщ, мг/л 730 4112 0,1 2424 1,4 551 995
Мп2+, мг/л 47 663 2 118 3,1 21 40
№2+, мг/л 0,23 0,93 0,02 0,49 0,03 0,09 0,40
Со2+, мг/л 0,17 7,30 0,05 1,79 0,06 0,07 0,30
Са2+, мг/л 0,79 2,10 0,02 0,50 0,08 0,59 0,12
Примечание: ООО «Экология»
* - по данным ОАО «Унипромедь», 1990 г.; **
**** — [9]. ***** — [10]
- [8];
— по данным
и сотни гектаров. Здесь развивается техногенная трещиноватость и, как следствие, увеличивается проницаемость и емкость массива, инфильтра-ционное питание возрастает в несколько раз, вплоть до полного поглощения атмосферных осадков [11]. Эти факторы способствуют более интенсивному проникновению инфильтрационных вод в нарушенную зону. В зоне окисления основные минералы колчеданных месторождений (пирит, халькопирит, сфалерит, марказит) неустойчивы, это приводит к формированию и накоплению в техногенной зоне аэрации водорастворимых вторичных минералов [1] или неосульфатов [12], в том числе в открытых горных выработках, в зоне обрушения. Основными из них являются минералы, содержащие железо (такие как ярозит КРе3[804]2(0И)6, кокимбит Ре2[8О4]3-9Н2О), а также семиводные сульфаты, аналогичные мелантери-ту, но с переменным соотношением четырех главных металлов — железа, меди, цинка, магния: это собственно мелантерит (Ре[804]-7И20), бутит (Си[804]-7И20), госларит (2п[804]-7И20), эпсомит (Ме[804]-7И20). Именно растворение неосульфатов является причиной формирования кислых шахтных вод с большим количеством железа и невысоким содержа-
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
нием меди после прекращения рудничного водоотлива и подъема уровня подземных вод.
После затопления отмечается существенно нестационарный гидрохимический режим: в первые годы происходит резкий рост содержания большинства компонентов (для Левихинского рудника это примерно 5-кратное увеличение), затем начинается постепенное снижение показателей, которое может продолжаться десятки лет [1]. Так, на затопленном в 2003 г. Левихин-ском руднике содержание большинства показателей химического состава до настоящего времени (через 10 лет после прекращения водоотлива) в 2-3 раза выше, чем в период водоотлива (см. табл. 2).
Перечисленные процессы значительно осложняют прогноз качества шахтных вод после завершения отработки и выбор методов их очистки.
Методы очистки шахтных вод
Для борьбы с кислыми шахтными водами, как правило, применяются активные, или химические, методы, хотя использование пассивных методов, основанных на процессах самоочистки, значительно дешевле, поэтому они активно развиваются в последние годы [1, 13]. Для полноценного применения пассивных методов главной задачей является радикальное снижение объемов очищаемой воды, что не всегда может быть реализовано. Кроме того, если при использовании химических методов очистки можно проконтролировать расход воды, ее рН и в зависимости от этого рассчитывать необходимое количество химических реагентов, то проконтролировать микробиологическую деятельность, увеличить солнечную активность, уменьшить скорость движения воды практически невозможно. Обычно для снижения рН шахтных вод и уменьшения растворимости загрязняющих веществ (в первую очередь тяжелых металлов) используют негашеную известь, гидроксид натрия (каустическую соду) или известняк. Таким образом, формируются нерастворимые или плохо растворимые осадки, для их осаждения используются различные конструкции осветлительных прудов, такие как пруд-отстойник, пластинчатый (чешуйчатый) отстойник, осветлитель с радиальным потоком. Полученный осадок высушивается и в зависимости от токсичности может размещаться в выработанном пространстве или на специальных полигонах [1].
На Среднем Урале до середины 1950-х гг. кислые шахтные воды (рН = 2 3) отрабатываемых медноколчеданных рудников сбрасывались в близлежащие реки, ручьи или болота, выжигая растительность, которая во многих местах не восстановилась до сих пор. На отдельных рудниках (Дегтярский, Карабашский, Левихинский) в период 1939-1985 гг. была организована частичная очистка шахтных вод от содержащейся в них меди
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
путем пропуска воды через железный скрап. По этой технологии на рудниках Уральского региона из шахтных вод было извлечено около 60 тыс. т меди — это порядка 1,5 тыс. т в год [14, 15]. Однако при таком способе очистки не снижается содержание цинка и других токсичных металлов, таких как кадмий, селен, теллур, мышьяк и др.
Позднее для очистки кислых шахтных вод стал использоваться метод нейтрализации, основанный на обработке рудничных и подотвальных вод известковым молоком. Это приводит к осаждению тяжелых металлов, в первую очередь меди, цинка, кадмия, в виде их нерастворимых гидроксидов и основных карбонатов. Лучшее осаждение происходит при рН = 8—9, при повышении рН может начаться растворение осадка. После отстаивания в специальных прудах нейтрализованная осветленная вода сбрасывалась в поверхностные водные объекты. Реализация этого метода обезвреживания стоков требует значительного количества извести, например, на действующем Учалинском ГОКе используется около 30 т в сутки [15]; столько же требуется сегодня для нейтрализации шахтных вод остановленного Левихинского рудника, учитывая, что при отработке рудника использовалось почти в 10 раз меньше извести [16]. В результате образуется несколько сот тысяч тонн в год шлама, что обусловливает необходимость устройства шламонакопителей большого объема.
Несмотря на отмеченные недостатки, нейтрализация кислых вод известковым молоком (или известковым раствором) как у нас в стране, так и за рубежом, является наиболее распространенным методом очистки больших объемов сточных вод. В 2001 г., когда принципиально решалась проблема нейтрализации сточных шахтных вод Левихинского рудника, проводились консультации со специалистами из Голландии, однако предложенные ими методы либо не подходят по климатическим условиям (например, с использованием бактерий), либо оказались слишком дорогостоящими.
Оценка влияния затопленного Левихинского рудника на водные объекты
Отработка Левихинского рудника в период 1927—2003 гг. шла открытым (до глубины 70 м) и подземным (до глубины 618 м системами с подэтаж-ным обрушением) способами. До конца 1950-х гг. водоотлив осуществлялся через шахты с последующим сбросом в болото, расположенное на северо-западе месторождения. В 1959 г. в низовьях р. Левихи (приток р. Тагил, бассейн р. Туры, Иртышский бассейновый округ) был создан осветлитель-ный пруд, предназначенный для отстаивания выносимых с шахтными водами взвесей. В настоящее время площадь пруда 142 га, объем 2 млн м3.
После остановки шахтного водоотлива, в конце 2003 г., подземные горные выработки были полностью затоплены и к концу 2006 г. в наиболее низ-
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
кой точке местности в районе шахтного ствола Левиха II (зона обрушения от горизонта 175 м) образовался техногенный водоем глубиной примерно 50 м, в который разгружаются шахтные воды с расходом около 120 м3/ч (при отработке среднемноголетний расход водоотлива составлял порядка 200 м3/ч). По трубопроводу длиной около 2 км шахтные воды перекачиваются из техногенного водоема на станцию нейтрализации, расход перекачки изменяется от 30 до 150 м3/ч. На станцию нейтрализации также подаются подотвальные воды, которые собираются на рудном поле. После обработки известковым молоком эти воды поступают в осветлительный пруд, где в процессе отстаивания происходит выпадение гидроксидов тяжелых металлов. При перетекании в сбросной канал вода дополнительно нейтрализуется известью, а затем самотеком по старому руслу р. Левихи попадает в р. Тагил (долина р. Тагил находится в 4 км к востоку от рудника). При движении нейтрализованных вод к р. Тагил происходит частичное осаждение образующейся при нейтрализации взвеси, русло р. Левихи размыто, а вода имеет мутно-бурую окраску.
Состав шахтных вод (в среднемноголетнем разрезе) после затопления Ле-вихинского рудника отличается от сформированного при водоотливе, особенно резко выросло содержание марганца (в 6,3 раза - от 47 до 298 мг/л), железа (в 4,5 раза - от 730 до 3273 мг/л), цинка (в 3,2 раза - от 317 до 1015 мг/л). Сточные воды, поступающие в р. Тагил, также стали более загрязненными: по марганцу в 12 раз (от 3,8 до 46 мг/л), железу в 11 (от 7,1 до 78 мг/л), цинку в 6 раз (от 17 до 105 мг/л). Соответственно, степень загрязнения р. Тагил ниже сброса после затопления также увеличилась: по железу в 6,4 раза (от 0,7 до 4,3 мг/л), по цинку в 3 раза (от 0,65 до 1,97 мг/л) (табл. 3, 5).
В последние годы превышение предельно-допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного значения (ПДКрх) в р. Тагил ниже сброса сточных вод отмечается для цинка (^пдк = 197), меди (Кпдк = 130), марганца (Кцдк: = 102), железа (Кцдк: = 43): коэффициент концентрации по ПДКрх - кратность превышения ПДКрх. Необходимо отметить, что выше сброса вода р. Тагил также (как и ранее) не соответствует ПДКрх по ряду показателей, в частности, по меди (^ПдК = 20), марганцу (^ПдК = 19), цинку (КпдК = 7), железу (^ПдК = 5), при этом после сброса сточных вод содержание тяжелых металлов в воде реки увеличивается в 5-29 раз, сульфатов в 2,5 раза (табл. 4, 5).
Если на этапе отработки после сброса очищенных дренажных вод основным загрязняющим компонентом в реке была медь, то в настоящее время степень загрязнения поверхностных вод медью уменьшилась почти в три раза: от 0,37 мг/л (^ПдК = 370) до 0,13 мг/л (Кцлк = 130), что объясняется существенным снижением содержания меди в шахтных (от 154 до 23 мг/л) и сточных (от 7,2 до 1,9 мг/л) водах (см. табл. 3, 4).
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
о
03
о
о о о
Таблица 3. Характеристика шахтных, сточных и поверхностных вод в районе Левихинского рудника в период отработки и после затопления (среднемноголетние значения)
Компоненты ПДК*Х Фон** Шахтные воды (техногенный водоем) Сточные воды (сброс с пруда-отстойника) Поверхностные воды р. Тагил
выше сброса ниже сброса
отработка * * * затопление ** * * отработка * ** затопление ** * * отработка ** * затопление * * ** отработка ** * затопление * * **
рН 6,0-9,0 7,1 2,8 4,0 6,9 5,9 7,1 7,2 7,2 7,1
Сухой остаток, мг/л 1000 180 11 600 32 617 2336 5546 394 371 334 418
Сульфаты, мг/л 100 28,4 5978 15 955 1200 2591 68 56 114 142
Хлор, мг/л 300 3,6 н.с. 0 29 23 31 25 29 24
Медь, мг/л 0,001 0,028 154 23 7,2 1,9 0,02 0,02 0,37 0,13
Цинк, мг/л 0,01 0,044 317 1015 17,1 104,8 0,07 0,07 0,65 1,97
Железо, мг/л 0,1 0,32 730 3273 7,1 77,9 0,55 0,53 0,67 4,28
Марганец, мг/л 0,01 0,074 47 298 3,8 46 0,42 0,19 0,85 1,02
Мышьяк, мг/л 0,05 0,0008 0,1 < п.о 0,05 0,004 0,04 0,001 0,04 0,001
Кадмий, мг/л 0,005 н.с. 0,8 0,5 н.с. н.с. н.с. н.с. н.с. н.с.
П
а\ а:
а §
Ой О
Ь £
о\ а:
а §
Сй
О
Ьэ ^
о §
Ой
Примечание: * - ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения [17]; ** - р. Шайтанка выше излива шахтных вод, левобережный приток р. Тагил, по данным ООО «Экология»; *** - по данным ОАО «Унипромедь», 1990 г.; **** - по данным ООО «Экология»; н.с. - нет сведений; < п.о - ниже погрешности определения.
Таблица 4. Кратность превышения ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения в шахтных, сточных и поверхно стных водах в районе Левихинского рудника в период отработки и после затопления
Шахтные воды (техногенный водоем) Сточные воды (сброс с пруда-отстойника) Поверхностные воды р.Тагил
Компоненты выше сброса ниже сброса
отработка затопление отработка затопление отработка затопление отработка затопление
Сухой остаток 12 33 4 6 0,4 0,4 0,4
Сульфаты 60 160 12 26 0,7 0,6 1,1 1,4
Медь 154 000 23 000 7200 1900 20 20 370 130
Цинк 31 700 101 500 1710 10 480 7 7 65 197
Железо 7300 32 730 71 779 5,5 5,3 6,7 42,8
Марганец 4700 29 800 380 4600 42 19 85 102
Мышьяк 2 < по 1 0,08 0,8 0,02 0,8 0,02
Кадмий 160 100 н.с. н.с. н.с. н.с. н.с. н.с.
Примечание: выделены компоненты с наиболее высокими показателями.
Таблица 5. Характеристика степени изменения шахтных, сточных и поверхностных вод после затопления Левихинского рудника
Компоненты Шахтные воды (техногенный водоем) Сточные воды (сброс с пруда-отстойника) Поверхностные воды р. Тагил
Кз/о Кз/о Кз/о отработка затопление
Кн/в Кн/в
Сухой остаток 2,8 2,4 1,3 0,8 1,1
Сульфаты 2,7 2,2 1,2 1,7 2,5
Медь 0,1 0,3 0,4 18,5 6,5
Цинк 3,2 6,1 3,0 9,3 28,7
Железо 4,5 11,0 6,4 1,2 8,1
Марганец 6,3 12,1 1,2 2,0 5,4
Мышьяк 0,0 0,1 0,03 1,0 1,0
Кадмий 0,6 н.с. н.с. н.с. н.с.
Примечание: Кз/о- коэффициент концентрации на этапе затопления, отношение содержания компонента после затопления (Сз) к его значению при отработке (Со), Кз/о = Сз/Со; Кн/в - коэффициент концентрации по влиянию сброса, отношение содержания компонента ниже сброса сточных вод (Сн) к его значению выше сброса (Св), Кн/в = Сн/Св. Выделены компоненты с наиболее значительными изменениями.
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
При этом следует отметить, что как на этапе отработки, так и после затопления перечень основных загрязняющих веществ в р. Тагил представлен идентичными компонентами, однако изменяется их значимость в загрязнении поверхностных вод: при отработке это медь (АГПдК = 370), марганец (ХПдК = 85), цинк (АГПдК = 65), железо (АГПдК = 7); после затопления — цинк (^пдк = 197), медь (Кцдк = 130), марганец (Кцдк = 102), железо (£цдк = 43).
В целом степень загрязнения вод р. Тагил тяжелыми металлами после затопления увеличилась в 3,5 раза (см. табл. 5). Учитывая нестационарный характер формирования загрязняющих компонентов в шахтных водах и тенденцию к снижению их содержания (см. табл. 2), можно ожидать улучшения состояния поверхностных вод в районе Левихинского рудника. Однако даже после достижения предполагаемых предельных значений показателей химического состава шахтных вод их очистка без включения в существующую схему дополнительных элементов не будет оптимальной, а уровень загрязнения р. Тагил останется достаточно высоким.
Оценка влияния на водные объекты затопленного Дегтярского рудника
Шахтный водоотлив на Дегтярском медноколчеданном руднике был прекращен в 1995 г. после 80 лет эксплуатации (глубина отработки 600 м). С октября 1998 г., через 34 месяца после прекращения водоотлива, началось затопление карьера шахты Колчеданной. В период работы шахт сброс шахтных вод проводился в русло р. Дегтярки (приток р. Исток). После затопления гидродинамическая ситуация изменилась, зона разгрузки сформировалась в бассейне р. Исток (приток р. Ельчевки, бассейн р. Чусовой, Камский бассейновый округ). В настоящее время шахтные воды дренируются карьером шахты Колчеданной, воды кислые с рН 2—3, с минерализацией около 10 г/л, содержанием сульфатов около 6 г/л, высокой концентрацией меди (10 мг/л), цинка (116 мг/л), железа (995 мг/л), марганца (40 мг/л) (табл. 6). По сравнению с периодом отработки в настоящее время в зоне сосредоточенной разгрузки шахтных вод содержание компонентов стало в 1,5—2 раза выше, кроме меди, как и на Левихинском руднике, ее количество в воде уменьшилось в 8 раз (см. табл. 2). Кроме зоны сосредоточенной разгрузки в районе шахты Колчеданной (расход 180 м3/ч, при отработке 250 м3/ч) кислые шахтные воды разгружаются в провале на западном склоне горы Лабаз и в виде газирующего родника в восточной части шахты Колчеданной [10]. Состав воды в газирующем роднике весьма специфичный: при рН = 5,2 минерализация 25 г/л, содержание сульфатов около 15 г/л, а содержание большинства компонентов в 2—3 раза выше, чем в основной зоне разгрузки (кроме меди, концентрация которой в три раза ниже и составляет 3,4 мг/л) (см. табл. 6).
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
Таблица 6. Характеристика шахтных и сточных вод в районе Дегтярского рудника после затопления
Шахтные воды**** Сточные воды****
Компоненты пдк*х ПДК" Фон*** затопленный карьер шахты Колчеданная газирующий родник в восточной части шахты Колчеданная затопленный провал на западном склоне горы Лабаз р. Исток ниже станции нейтрализации р. Дегтярка -пункт нейтрализации сброс с Ельчевского пруда-отстойника
рН 6,0-9,0 6,0-9,0 7,19 2,8 5,2 2,7 2,6 3,9 7,5
Сухой остаток, мг/л 1000 1000 149 10 343 25 386 3068 4032 704 1300
Сульфаты, мг/л 100 500 16,9 5916 14 467 2201 2064 397 826
Хлор, мг/л 300 350 11 52 49 21 57 37 32
Медь, мг/л 0,001 1 0,03 10 3,4 1,7 3,9 3,5 0,01
Цинк, мг/л 0,01 5 0,03 116 292 2,5 3,8 7,7 0,2
Железо, мг/л 0,1 0,3 0,2 995 4724 215 517 41 0,03
Марганец, мг/л 0,01 0,1 0,11 40 158 8 13,6 1,9 0,2
Мышьяк, мг/л 0,05 0,05 0,005 0,005 0,005 н.с. 0,005 0,007 0,005
Кадмий, мг/л 0,005 0,001 0,0001 0,12 1,50 0,015 0,032 0,021 0,0008
Примечание: * - ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения [17]; ** - ПДК для централизованных систем питьевого водоснабжения [18]; *** - р. Исток выше излива шахтных вод [10]; **** - [10]; н.с. - нет сведений.
Шахтные воды поступают в р. Исток, где нейтрализуются известковым молоком, которое подается по трубопроводу от станции нейтрализации. Весь сток нейтрализованных вод с территории месторождения направляется по реке к Ельчевскому пруду-отстойнику (построен в 1952 г., в настоящее время объем 9,4 млн м3, площадь 220 га).
Нейтрализация воды известковым молоком и отстаивание в пруду приводят к росту рН (от 2,8 до 7,5), снижению минерализации (в 8 раз, от 10 до 1,3 г/л), сульфатов (в 18 раз, от 14,8 до 0,8 г/л), существенному уменьшению содержания основных компонентов-загрязнителей: железа в 33 тыс. раз (от 995 до 0,03 мг/л), меди в 1000 раз (от 10 до 0,01 мг/л), цинка в 580 (от 116 до 0,2 мг/л), марганца в 200 раз (от 40 до 0,2 мг/л). Тем не менее значения сухого остатка, содержание сульфат-иона и концентрации ряда компонентов в ходе нейтрализации и осветления в Ельчевском пруду-отстойнике не доводятся до питьевых кондиций (коэффициент концентрации по ПДК для централизованного питьевого водоснабжения для сухого остатка КПдК = 1,3; для сульфат-иона КПдК = 1,7; для марганца КПдК = 2) и до требований водоемов рыбохозяйственного значения (коэффициент концентрации по ПДК для водоемов рыбохозяйственного значения для сухого остатка КцдК = 1,3; для сульфат-иона КПдК = 8; для меди КПдК = 10; для марганца КцдК = 20; для цинка КПдК = 20) (табл. 6, 7).
Таблица 7. Кратность превышения ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения в шахтных и сточных водах в районе Дегтярского рудника после затопления
Шахтные воды Сточные воды
Компоненты затопленный карьер шахты Колчеданная газирующий родник в восточной части шахты Колчеданная затопленный провал на западном склоне горы Лабаз р. Исток ниже станции нейтрализации р. Дегтярка — пункт нейтрализации сброс с Ельчевско-го пруда-отстойника
Сухой остаток 10 25 3,1 4,0 0,7 1,3
Сульфаты 59 148 22 21 4 8
Медь 10 000 3400 1700 3900 3500 10
Цинк 11 600 29 200 250 380 770 20
Железо 9950 47 240 2150 5168 405 0,30
Марганец 4000 15 800 800 1360 190 20
Мышьяк 0,10 0,10 н.с. 0,10 0,14 0,10
Кадмий 24 300 3 6,4 4,2 0,16
Водное хозяйство России
При этом весь сток нейтрализованных вод с территории отработанного Дегтярского месторождения направляется по р. Исток к Ельчевскому пруду-отстойнику и далее в Волчихинское водохранилище, которое является самым крупным источником питьевого водоснабжения Свердловской области и основным для г. Екатеринбурга.
Выводы
Шахтные воды отработанных медноколчеданных рудников в первые годы после затопления характеризуются более высокой минерализацией, содержание тяжелых металлов (кроме меди) и редкоземельных элементов также возрастает в несколько раз, соответственно, степень загрязнения водных объектов в старопромышленных горнодобывающих районах Среднего Урала после прекращения добычи не уменьшается.
Для снижения экологической нагрузки на гидросферу и предотвращения залповых поступлений неочищенных кислых вод в водотоки шахтные воды медноколчеданных рудников обрабатываются на станциях нейтрализации и отстаиваются в прудах-накопителях. Существующие методы очистки сточных вод недостаточно эффективны: после обработки и отстаивания значительное количество металлов осаждается, их содержание уменьшается, тем не менее часть этих веществ попадает в поверхностные водные объекты в превышающих ПДК концентрациях.
Степень загрязнения вод р. Тагил тяжелыми металлами после затопления Левихинского рудника увеличилась в 3,5 раза. Несмотря на тенденцию к значительному снижению содержания загрязняющих веществ в шахтных водах, их очистка без реорганизации системы не будет эффективной, а уровень загрязнения р. Тагил останется достаточно высоким.
Очищенные сточные воды затопленного Дегтярского рудника поступают в Волчихинское водохранилище - основной источник питьевого водоснабжения г. Екатеринбурга. Несмотря на значительное снижение минерализация, содержание сульфат-иона и концентрации ряда компонентов (цинка, марганца, меди) не доводятся до питьевых кондиций и не соответствуют требованиям, предъявляемым к водным объектам рыбохозяйственного значения.
Заметного снижения содержания тяжелых металлов можно добиться при устройстве каскада осветлительных прудов [1], поэтому целесообразно создание еще одного пруда-отстойника ниже существующих, в котором после нейтрализации будет происходить доосаждение тяжелых металлов и улучшение качественного состава сточных вод.
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wolkersdorfer Christian. Water management at abandoned flooded underground mines.
Fundamentals. Tracer tests. Modelling. Water treatment. Springer. 2008. 465 p.
2. Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Влияние экологического ущерба, накопленного от горно-
добывающей деятельности, на состояние гидросферы Среднего Урала // Водное хозяйство России. 2013. № 6. С. 110-118.
3. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Свердловской об-
ласти в 2012 году». Екатеринбург: ООО «Издательство УМЦ УПИ», 2013. 350 с.
4. Лехов А.В. Физико-химическая гидрогеодинамика: учебник. М.: КДУ, 2010. 500 с.
5. Apello C.A.J., Postma D. Geochemistry, groundwater and pollution. 2-nd edition. Rotterdam,
Balkema. 2005. 635 p.
6. Nordstrom D. Kirk. Hydrogeochemical processes governing the origin, transport and fate of
major and trace elements from mine wastes and mineralized rock to surface waters // Applied Geochemistry. 2011. No. 26. P. 1777-1791.
7. Гидрогеология СССР. Т. XIV. Урал. Уральское территориальное геологическое управление
/ под ред. В.Ф. Прейса. М.: Недра, 1972. 648 с.
8. Фельдман А.Л. Программа мониторинга состояния окружающей среды (атмосфера, недра,
водные объекты, почва, биоресурсы) Левихинского рудника на территории Кировградс-кого ГО. Екатеринбург: ООО «ПАНЭКС», 2008. 99 с.
9. Грязнов О.Н., Палкин С.В., Новиков В.П., Вострокнутов А.Г., Катаев А.М. Дренажные
воды - источник техногенного гидроминерального сырья на Урале // Изв. вузов. Горный журнал. 1997. № 11-12. С. 56-66.
10. Вишняк А.И. Мониторинг геологической среды Дегтярского медноколчеданного место-
рождения (за 2003-2004 гг.). Екатеринбург: Уралнедра, 2005. 217 с.
11. Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Геофильтрационная модель массива горных пород в об-
ласти влияния отрабатываемых и ликвидируемых рудников горноскладчатого Урала // Литосфера. 2013. № 3. С. 130-136.
12. Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. Свердловск: Изд-во УрГУ,
1991. 256 с.
13. Антонинова Н.Ю., Шубина Л.А. Экологическая реабилитация экосистем в районах фун-
кционирования горнометаллургических комплексов // Изв. вузов. Горный журнал. 2013. № 8. С. 64-68.
14. Зотеев В.Г., Зотеев О.В., Корнилков С.В. Перспектива извлечения цветных металлов, вы-
носимых на поверхность рудничными водами на отработанных месторождениях // Комбинированная геотехнология: Развитие физико-химических способов добычи: труды по материалам междунар. конф. Магнитогорск: МГТУ, 2009. C. 76-81.
15. Никонов В.Н., Белан Л.Н., Яруллина И.Н. Промышленные стоки горно-обогатительных
комбинатов Башкирского Зауралья как экологическая проблема и гидроминеральное сырье цветных металлов // Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: материалы XIII междунар. конф. (Москва (Россия) - Грузия (Тбилиси) 15-21 сентября 2014 г.) / под ред. А.Е. Воробьева, Т.Н. Чекушиной. М.: РУДН, 2014. С. 35-37.
16. Козин В.З., Колтунов А.В., Морозов Ю.П., Осинцев В.А., Русский В.В., Перестронин И.Н.,
Тюрина Г.Л. Совершенствование технологии нейтрализации шахтных вод Левихинского рудника // Изв. вузов. Горный журнал. 1997. № 11-12. C. 211-214.
17. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нор-
мативы ПДК вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения.
Водное хозяйство России
М.: Изд-во ВНИРО, 2011. 257 с. Утв. Приказом Федерального агентства по рыболовству от 18.01.2010 г., приказ № 20. 18. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Введ. 01.01.2002, зарег. в Минюсте России 31.10.2001, рег. № 3011.
Сведения об авторах:
Рыбникова Людмила Сергеевна, канд. геол.-минерал. наук, заведующая сектором гидрогеологических исследований, ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» (ФГУП РосНИИВХ), 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23; старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук», Россия, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58; e-mail: luserib@mail.ru
Рыбников Петр Андреевич, канд. геол.-минерал. наук, старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела Ураль -ского отделения Российской академии наук», Россия, 620219, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58; e-mail: ribnikoff@yandex.ru
Тютков Олег Владимирович, д-р экон. наук, главный специалист, ФГУП «Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов» (ФГУП РосНИИВХ), Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23
Водное хозяйство России № 6, 2014
Водное хозяйство России
