CC BY
84
ПРОБЛЕМЫ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ
^ © И.М. Ялтанец, П.П. Демченко, 2001
УДК 622.7:622.371
И.М. Ялтанец, П.П. Демченко
ПРОБЛЕМА ОСВЕТЛЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ НА 14 ФАБРИКЕ ОБОГАЩЕНИЯ АЛМАЗОВ АЙХАЛЬСКОГО ГОКА
Р
азвитие народного хозяйства нашей страны предусматривает дальнейший рост добычи алмазов. Основным геолого-промышленным типом месторождений алмазов на территории России остается кимберлитовый для коренных и аллювиальный для россыпных месторождений. В настоящее время эффективность добычи и получения ювелирных и технических алмазов должна основываться на использовании передовой техники и технологии, а также на решении задач дальнейшего усиления охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
Особенно остро проблема сохранения окружающей водной среды касается перспективных районов Севера и в частности республики Саха (Якутия), в которой находятся пять из шести алмазодобывающих горно-обогатительных комбинатов России: рудник и прииск Мирный, Удач-ненский и Айхальский ГОКи, прииск Анабар.
Для разработки, промывки и обогащения 1 м3 металлоносных песков с использованием драг, промывочных установок и средств гидромеханизации требуется до 15-20 м3 технической воды, а для обогащения алмазоносной руды на фабрике (например, на обогатительной фабрике №14 Ай-хальского ГОКа) - до 20-25 м3. Сброс такого количества сточных вод с большим содержанием тонкодисперсных фракций ведет к экологическому сдвигу водных систем, потере воспроизводственного значения водоемов, значительному экологическому ущербу. В связи с этим встает вопрос об организации стабильного оборотного водоснабжения добычных, промывочных и обогатительных установок без сброса технологической воды во внешние водоемы.
Анализ состояния вопроса на обогатительной фабрике №14 АГОКа показал, что применение
данного способа (оборот-ного) водоснабжения фабрик затруднено из-за значительного содержания илисто-
пылеватых фракций в прудке-отстойнике (водозабора) хво-стохранилища.
Известно, что при использовании водооборота резко повышается загрязненность технологической воды, что отрицательно сказывается на извлечении алмазов, ведет к износу насосного и обогатительного оборудования, дополнительным потерям электроэнергии. Для снижения мутности технологической воды необходимо увеличение прудка-отстойника до значительных размеров с целью достижения естественного (гравитационного) осветления или принятия мер по интенсивному осветлению воды в месте водозабора, то есть искусственной обработки воды (химической, физико-химической и т.д.).
С увеличением размеров прудка-отстойника (в плане и глубине) возникает необходимость увеличения площади земельного отвода под хвосто-хранилище, что ограничивается, как правило, отсутствием таких земель, а также требованиями по охране окружающей среды.
Как следствие особенностей вещественного и дисперсного состава взвешенных частиц при обычном отстаивании, требуемый эффект осветления их оказывается практически недостижимым, что подтверждено опытом эксплуатации хвостохранилищ.
При существующем положении эксплуатации хвостохранилища обогатительной фабрики №14 Айхальского ГОКа рациональным способом снижения мутности технологической воды предлагается применение соответствующих мер по осветлению воды в непосредственной близости от водозабора прудка-отстойника.
В настоящее время все существующие способы очистки воды можно разбить на четыре основные группы: гравитационные, электромагнитные, механические, химические (см. схему). На хвостохранилищах и гидроотвалах прошли натурные испытания как реагентные, так и безреагентные способы очистки воды, в том числе и на хвостохранилище 14-ой обогатительной фабрике.
К первому относится способ на основе добавок ПАВ (полиакриламида), ко второму - магнитная, электрическая и электрофизическая об-
работка.
Реагентный способ основан на добавках в гидросмесь, поступающей на хвостохранилище (гидроотвал), водного раствора полиакриламида. Частицы данного высокомолекулярного вещества обладают высокой флокирующей способностью по отношению к глинистым и пылеватым фракциями, выступая в роли флокулянта и повышая темпы очистки воды в прудке-отстойнике. Установлено, что на осаждение 1м3 частиц размерами менее 0,5 мм расходуется 100 %-й ПАВ в количестве 10-12 г. К недостаткам данного способа можно отнести, во-первых, трудоемкость приготовления раствора полиакриламида, во-вторых, значительные ухудшения фильтрационных характеристик намытого грунта, содержащего поверхностно-активное вещество.
Магнитная и электрическая обработка (без-реагентные способы) гидросмеси состоит в том, что гидросмесь непосредственно перед сбросом ее в хвостохранилище (гидроотвал) пропускают через соответственно магнитное или электрическое поле. Для этого к торцу распределительного пульпопровода подсоединяются соответственно аппараты, создающие магнитное или электрическое поле. К недостаткам электрической и магнитной обработок гидросмеси перед поступлением ее на хвостохранилище (гидроотвал) относится низкая эффективность осветления гидросмеси. Одна из причин этого, по-видимому, в том, что гидросмесь, двигаясь с большой скоростью по трубопроводу, подвергается кратковременному воздействию электромагнитного поля.
Использование наиболее широко известных способов осветления воды (с химической обработкой воды) на фабрике №14 АГОКа не дало положительных результатов. Эффективным в данном случае будет способ, учитывающий особенности технологии складирования тонкодисперсных пород. Перспективным с этой точки зрения можно считать электрофизический способ, основанный на явлениях электрофореза и электрокоагуляции непосредственно в зоне водозабора прудка-отстойника.
По рассматриваемому объекту, теоретические и экспериментальные исследования процессов складирования хвостов фабрики и способов осветления оборотной воды по ряду вопросов носят незавершенный характер.
С целью повышения качества оборотного водоснабжения обогатительных фабрик нами были
проведены лабораторные эксперименты по процессу осветления воды с использованием способа электрофореза, который показал положительные результаты при обработке пульпы с невысокой и средней концентрацией (от 1 до 100 г/л).
С учетом особенностей горнотехнических условий эксплуатации хвостохранилища фабрики №14 результаты обработки материалов исследований, проведенных на кафедре ТО МГГУ, включая эксперименты по осветлению представительных проб оборотной воды с помощью лабораторной электрофоретической установки, а также уточнения минералогического и гранулометрического состава образцов осадка на дне накопителя сводятся к следующему:
• до настоящего времени недостаточно изучен вещественный состав исходных руд, перерабатываемых фабрикой №14, и отвальных хвостов. Требуются дальнейшие исследования минералогического, химического и гранулометрического состава не только первичной руды и отвальных хвостов, а также материал тонкодисперсных илистых взвесей и илистого осадка по всей площади хвостохранилища;
• основной источник поступления взвешенных, длительное время не оседающих тонкодисперсных частиц в накопителе - мощный турбулентный поток пульпы в местах торцевого выпуска ее из магистрального пульпопровода большого диаметра;
• верхний слой чистой (оборотной) воды в хвостохранилище подвержен сезонным колебаниям и в весенний период (март-май месяцы) уменьшается с 2-3 м до минимального размера (0,5 м и менее), что приводит к захвату эксплуатируемым сифонным водозабором загрязненной воды (концентрация достигает 10 г/л против 0,5 г/л по норме);
• выполнены исследования минералогического состава грунта по двум образцам твердой фазы взвешенного ила из хвостохранилища вблизи сифонного водозабора. Рентгеновский количественный фазовый анализ позволил диагностировать в составе илов 6 основных минералов, из которых преобладают карбонаты (кальцит - 66-30 %, доломит - 24-15 %), группа серпентина (47-35 %), хлорит (4 %), биотит и сапонит (по 2 % соответственно). Таким образом, осадок следует отнести к пылеватым илам карбонатно-серпентинового состава, что типично для продуктов переработки ким-
берлитовых руд;
• определены водно-физические характеристики выпавшего осадка после экспериментальной электрофоретической обработки пульпы, который отличается низкой плотностью, высокими показателями влажности и пористости, что позволяет однозначно отнести его к пылеватому илистому грунту;
• исследованы процессы и проверен в лабораторных условиях метод электрофоретического осветления оборотной воды на представительных пробах гидросмеси при концентрации от 2,5 до 187 г/л. Наиболее эффективная очистка воды достигнута при невысоких и средних концентрациях - от 1 до 100 г/л. Время полной очистки воды от твердых взвесей (до норматива) составляет 1,5-2 часа против 10 суток естественного (гравитационного) осветления гидросмеси в спокойных условиях. Впервые установлено, что интенсивное осветление воды электрофорезом происходит не только между электродами, но и в по-данодной зоне на глубину не менее 2,2 м ниже установки. Непрерывность электрофоретического осветления воды и последующей коагуляции взвешенных частиц достигается путем наложения внешнего поля постоянного тока напряжением 60В, в результате чего температура пульпы повышается на 7-10оС, вязкость жидкой фазы уменьшается, движение частиц ускоряется, отрицательно заряженные частицы твердой фазы поляризуются с образованием диполей и вместе с противоионами перемещаются вниз вдоль силовых линий к аноду, концентрируются там, теряют свой заряд, слипаясь с хлопьями оксида железа, выделяемого из анодной сетки, увеличиваются в размерах за счет интенсивной электрокоагуляции заряженных частиц твердой фазы между собой при взаимодействии диполей и в итоге ускоренно осаждаются через сетчатый анод в виде агрегатов твердых частиц и далее опускаются на дно накопителя, по пути захватывая частицы твердой фазы в поданодной зоне;
• экспериментально определена величина Z-потенциала частиц шлама в оборотной воде методом электроосмоса по валовому образцу илистого грунта, имеющего плотность 1,4 г/см3 при влажности 150 %. В электрическом поле малой напряженности и естественных условиях средняя величина Z-потенциала частиц шлама относительно мала и равна 0,4-0,6 мВ. При большой напряженности Z-потенциал увеличивается в 2-3
раза и составляет 0,8-1,2 мВ. С помощью рентге-но-структурной установки определен полимине-ральный состав шлама и сделан вывод о различной величине зарядов частиц шлама, а также, что их сильная дипольная поляризуемость способствует их электрокоагуляции в постоянном электрическом поле и их ускоренному осаждению в водной среде (оборотной воде);
• исходя из требований электробезопасности для работы обслуживающего персонала в качестве оптимального рекомендуется следующий режим работы электрофоретической установки: напряжение постоянного тока - 60 В, расстояние между изолированными электродами - 15-25 см, напряженность электрического поля £=240-400 В/м. Рассмотрен также вариант использования постоянного тока высоких напряжений (380 В и более) для интенсификации осветления воды, который признан неприемлемым по соображениям повышенной опасности и возникновения шагового напряжения для обслуживающего персонала стационарной установки;
• проведенными дополнительными лабораторными исследованиями (МГГУ) установлено, что процесс электрофореза прекращается, если использовать только один электрод (например, анод), используя в качестве второго (катод) землю, т.е. дно накопителя; также нерационально располагать в установке катод внизу, а анод сверху (поменять местами заряды);
• при проведении экспериментов по осветлению гидросмеси в большой емкости (10литровый аквариум) установлено, что в соответствии с расположением силовых линий постоянного электрического поля интенсивная очистка воды происходит также вокруг электродов в зоне шириной по горизонтали не менее 20-30 см от установки на глубину не менее 2,2 м.
По материалам исследований разработаны технологические и технические рекомендации по интенсификации осветления оборотной воды и осаждению взвешенных частиц в хвостохрани-лище.
В сложившихся условиях заполнения хвосто-хранилища ОФ №14 гидросмесью для исключения захвата сифонным водозабором оборотной воды с высоким содержанием взвешенных частиц (сухой остаток более 0,5 г/л), а также с целью интенсификации осветления оборотной воды и осаждения взвешенного ила на дно накопителя необходимо:
В летних условиях (температура воды 8-10 °С):
• перенести сифонный водозабор к северо-западу на расстояние не менее 200-250 м от уреза воды, приблизив его к зоне наибольшей глубины чистой воды (без взвешенного ила);
• оборудовать и постоянно использовать стационарную электрофоретическую установку (СЭУ) с традиционным горизонтальным расположением сетчатых металлических электродов (всего в установке 7-8 секций, размер каждой секции 200x100 см, размер ячеек от 1 до 10 см, расстояние между электродами порядка 15-25 см, напряжение постоянного тока 60В), расположив указанные секции вокруг сифонного водозабора на фторопластовых поплавках. Расстояние электродов до водозабора - 3,5-4 м. Верхний электрод (катод) должен находиться на глубине 0,5 м от поверхности воды для уменьшения до минимума горизонтального движения пульпы между электродами (см. рис.).
Включение в работу такой установки (СЭУ) или отдельных секций с промежутками (от 1 до 3
Рис. Схема расположения стационарной электрофоретической установки вокруг водозабора: 1 - электроды (секция); 2 -поплавки; 3 - изолирующие растяжки;
4 - металлическая балка швеллер; 5 -плавающий сифонный водозабор; 6 -водовод; 7 - пешеходный мостик; 8 -кронштейны крепления балок
м) обязательно при условии, что концентрация пульпы на глубине ниже 0,5 м превышает
нормативную величину (более 0,5 г/л). Время непрерывной работы установки или отдельных секций по результатам исследований МГГУ равно 1,5-2 часа, что обеспечивает полное осветление воды на глубину не менее 2,2 м под установкой. После выключения постоянного тока необходимо через 1-1,5 часа проверить концентрацию пульпы на глубине 3 м (в сумме
0,5+0,25+2,2=2,95 м).
В зимних условиях (100 % пульпы сбрасывается под лед в торцевом выпуске, температура воды подо льдом 2-5 °С):
• для уточнения зоны осветления воды в местах наибольшей глубины хвостохранилища и большой мощности взвешенных илов провести дополнительные испытания в промышленных условиях передвижной электрофоретической установки (ПЭУ), состоящей из одной секции (возможно применять опытный образец, имеющийся в ОХХ фабрики № 14, с использованием серийного сварочного агрегата АС-81, оборудованного на колесном тракторе - размер такой секции 170x100 см, сетчатые металлические электроды с размером ячейки 1-10 см, расстояние между изолированными электродами 15-25 см, напряжение постоянного тока 60В);
• опускать переносную установку (ПЭУ) в пульпу в местах, где предварительно промерена глубина чистой воды, т.е. ниже границы чистой воды, и включать только при концентрации пульпы в пределах от 1 до 100 г/л;
• оптимальное время непрерывной работы электрофоретической установки - 1,5-2 часа. В
этом случае достигается необходимое осветление гидросмеси до нормативной величины (сухой остаток не более 0,5 г/л на глубину 2,2 м ниже установки). После выключения постоянного тока (через 1-1,5 часа) проверяется концентрация пульпы на глубине 3 м. Затем установка поднимается и перемещается по горизонтали на соседний участок;
• при глубине хвостохранилища более 4-5 м ПЭУ после работы в верхней зоне (0,5-2,2 м) отключается и через 1-1,5 часа опускается на глубину 3-3,5 м и включается в работу еще на 1-1,5 часа для осаждения верхнего слоя взвешенных илов с высокой концентрацией пылеватых частиц (сухой остаток не более 100 г/л).
Разработаны также следующие рекомендации по технологии уменьшения турбулентности потока пульпы при выпуске из магистрального пульпопровода в хвостохранилище и техническим способам ее осветления в накопителе:
В летний период необходимо:
• уменьшить в 2-3 раза объем пульпы при ее торцевом сбросе (т.е. не более 30-35 % годового выпуска против 70 % в настоящее время) за счет увеличения длины магистрального трубопровода на левом берегу хвостохранилища и устройства
дополнительных боковых выпусков патрубков малого диаметра в пляжной зоне;
• снизить высоту сброса пульпы при ее торцевом выпуске до 1-2 м (против 6-7 м в настоящее время);
• для ослабления турбулентности потока пульпы и перевода в ламинарный режим оборудовать в торце магистрального пульповода гаситель скорости потока в виде специальной насадки с металлической плитой-отражателем на удалении около 100 см от торца (собственная разработка «АЛРОСА»); кроме того, испытать наклонный лоток или желоб из дерева или металла на пути потока пульпы при ее сбросе из торца;
• подготовить к зимнему сезону в северной и центральной частях акватории хвостохранилища ряд защитных экранов из полиэтиленовой пленки, расположив их (на поплавках с грузом внизу) поперек потока пульпы кулисообразно с запада на восток протяженностью по 50-100 м каждый (на глубину 0,5 м от поверхности воды до 1,5-3 м по вертикали в зависимости от глубины в данном сечении) с оставлением проходов в виде лабиринта в центральной части хвостохранилища.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Демченко А.П. Обоснование рациональных параметров электрофоретического способа осветления тонкодисперсной гидросмеси на гидроотвалах. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. -М.,МГИ, 1986, с. 15.
2. Ялтанец И.М., Демченко
А.П. Экологические требования к гидроустановкам на карьерах. В сб.: Вопросы проектирования открытой разработки угольных месторождений. Межвузовский сборник научных трудов. - Кемерово, 1990, с. 62-69.
3. Ялтанец И.М.Электрофи-зический способ осаждения тонкодисперсных фракций в зоне водозабора прудка-отстойника. В сб. «Научные проблемы горного производства». К 80-летию академика
В.В. Ржевского. М..МГГУ, 2000, ср. 335-351.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
✓--------------------------------------------------------------------------7
Ялтанец Иван Михайлович - профессор, доктор технических наук, кафедра «Технология, механизация и организация открытых горных работ», Московский государственный горный университет.
Демченко Петр Петрович - кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
