CC BY
70
DOI:10.37614/2307-5228.2020.12.3.003 УДК 622.7
ПРОБЛЕМА ПЕРЕРАБОТКИ БЕДНЫХ РУД И ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ, СНИЖЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ОТ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
А. В. Светлов, Е. А. Красавцева, А. А. Горячев, Е. О. Поторочин
Институт проблем промышленной экологии Севера ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты
Аннотация
В работе представлен краткий обзор современного состояния вовлечения в переработку бедных месторождений сульфидных медно-никелевых руд, горнопромышленных отходов цветной металлургии. Приведены примеры зарубежного и российского опыта. Представлен возможный способ геотехнологической переработки некондиционного сульфидного рудного материала, содержащего цветные металлы и железо, на примерах объектов Мурманской обл. Рассмотрена проблема закрепления пылящих поверхностей хвостохранилища. Дана оценка возможностям химической коагуляции для очистки сточных вод. Ключевые слова:
бедные медно-никелевые руды, горнопромышленные отходы, разработка комбинированныхобо-гатительно-гидрометаллургических технологий, закрепление пылящих поверхностей, очистка сточных вод.
THE CHALLENGE IN MINERAL PROCESSING FOR LOW-GRADE ORES AND MAN-MADE WASTE, HOW TO REDUCE THE NEGATIVE ENVIRONMENTAL IMPACT FROM THE MINING INDUSTRY?
Anton V. Svetlov, Evgeniya A. Krasavtseva, Andrey A. Goryachev, Evgeny O. Potorochin
Institute of North Industrial Ecology Problems,
Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences, Apatity
Abstract
The paper presents a brief overview of the current state of involvement in processing of low-grade deposits of sulfide copper-nickel ores and mining waste of non-ferrous metallurgy. Examples of foreign and Russian experience are given. A possible method for geotechnological processing of substandard sulfide ore material containing non-ferrous metals and iron is presented on the examples of objects in the Murmansk region. The problem of fixing dusty surfaces of the tailing dump is considered. An assessment of the possibilities of chemical coagulation for wastewater treatment is given.
Keywords:
Low-grade copper-nickel ores, mining waste, development of combined concentrating and hydrometallur-gical technologies, fixing dusty surfaces, waste water treatment.
Введение
Мурманская обл. является одним из регионов с крупнейшими производствами минерально-сырьевого комплекса
Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) и страны в целом. Здесь функционируют такие предприятия, как АО «Кольская ГМК» (ПАО «ГМК "Норильский никель"»), КФ АО «Апатит» (ПАО «ФосАгро»), АО «Ковдорский ГОК» (АО «МХК "ЕвроХим"») и др.
Актуальные технологические,
экономические и экологические задачи, которые стоят перед горнопромышленными
предприятиями АЗРФ: повышение полноты извлечения ценных компонентов, широкая разработка техногенных минеральных образований — накопленных и текущих отходов горнопромышленных производств — с одновременным снижением нагрузки на окружающую среду.
По разным оценкам российских ученых, в РФ может быть порядка 100 млрд т отходов. Этот объем, созданный за последние 300 лет, имеет непосредственное отношение к
функционированию горнодобывающей и перерабатывающей промышленности. Отходы
обогащения занимают порядка 15-40 % в этой массе [Быховский, Спорыхина, 2011; Аксенов и др., 2010; Чантурия, Козлов, 2017; Шадрунова и др., 2017].
Воздействие неорганизованных сбросов на речную и донную фауну ведет к резкому повышению экологического ущерба. В существующей системе государственного регулирования возможность нормирования данного воздействия практически отсутствует, вследствие чего в отношении промышленных предприятий (относятся к I категории опасности предприятий) применяется 100-кратный повышающий коэффициент при оценке стоимости воздействия на окружающую среду [О порядке исчисления..., 2017].
В Мурманской обл. ежегодно складируется свыше 200 млн т горнопромышленных отходов (ГПО) — забалансовых руд, породных отвалов, хвостов обогащения и шлаков, общий объем которых к настоящему времени достиг около 8 млрд т. Поддержание отвалов вскрышных пород и шлаков, хвосто- и шламохранилищ требует значительных капитальных и материальных затрат, на длительное время из хозяйственного оборота выводятся значительные площади земель [Архипов, Решетняк, 2017; Доклад., 2019].
Для нашей страны в настоящее время и в перспективе характерно ухудшение или сокращение разведанных запасов важнейших полезных ископаемых, снижение их качества на разрабатываемых и проектируемых месторождениях, серьезное усложнение их промышленного освоения. Специфическим является географическое положение российской минерально-сырьевой базы: значительная часть промышленных месторождений расположена в АЗРФ. Поэтому особую актуальность для страны приобретают вопросы экологической безопасности при добыче и переработке полезных ископаемых, хранении горнопромышленных отходов в условиях АЗРФ. Сокращение запасов богатых легкообогатимых руд отражается на производственной деятельности АО «Кольская ГМК». Актуализируются такие задачи, как использование некондиционного сульфидного медно-никелевого сырья природного и техногенного генезиса. Вместе с тем перед
предприятием встают проблемы
перевооружения производства, а также масштабных реформ технологического цикла [Отчеты., ЭР]. Данный комплекс вопросов обусловлен особенностями форм нахождения полезных минералов, высокой степенью их дисперсности, изменением физических и физико-химических свойств поверхности.
Анализ рудной базы в годовых отчетах ПАО ГМК «Норильский никель», подразделением которого является АО «Кольская ГМК», показывает, что среднее значение содержания в руде ключевых компонентов за период 20082016 гг. составляет 0,64 % (никель) и 0,27 % (медь) [Отчеты., ЭР]. Необходимо отметить, что в 1970-е гг. содержание никеля на ключевых местах добычи варьировалось от 1 до 18 % [Маслобоев и др., 2014].
Вместе с тем интерес к сульфидсодержащим отходам горно-металлургического комплекса обоснован их экологической опасностью и, следовательно, вероятным и действительным ущербом для окружающей среды. При добыче и обогащении руд цветных металлов теряется около 25 % никеля и 15 % меди, а потери кобальта доходят до 40 %. Актуальной научно-технической задачей выступает разработка комбинированных обогатительно-
гидрометаллургических технологий,
обеспечивающих доизвлечение полезных компонентов из некондиционных руд, отходов горного и обогатительного производств. В последнее десятилетие начаты опытно-промышленные работы по кучному выщелачиванию бедных медно-никелевых сульфидных руд.
Примеры мирового и отечественного опыта в переработке бедных руд цветных металлов и ГПО
Опыт мировой гидрометаллургической практики демонстрирует высокие ожидания от применения кучного выщелачивания для извлечения ценных компонентов из отходов горнопромышленного сектора [Козлов, 2017; Ха-биров и др., 2007; Халезов, 2013; Чантурия, Козлов, 2017; Watling, 2008; Watling et al., 2017]. Комбинированные технологии являются ключевым направлением научно-технического
прогресса в области переработки минерального сырья и вполне могут решить вопрос переработки как бедных руд, так и ГПО. Условия Арктической зоны РФ не должны становиться препятствием, поскольку как в мировой практике, так и в самой России есть примеры ведения работ в сложных климатических условиях [Маркович, Разворотнева, 2011; Птицын, 1992; Птицын, Сысоева, 1995; Ollakka et al., 2016; Van Dam et al., 2016].
Спрос на цветные металлы стабилен, что обосновано интенсивным развитием электронной индустрии и цифровых технологий. Колебания стоимости на мировом рынке во многом объясняются спекуляционными процессами.
Рентабельность геотехнологий, позволяющих работать со сложным материалом для извлечения цветных металлов, как правило, определяет экономическую эффективность предприятий, ее использующих. Пример эксплуатации месторождения полиметаллических руд Талвиваара (Финляндия) компанией "Talvivaara Mining Company Р1с" показывает, что может происходить с подобными предприятиями. Финляндия стала первой страной, где в 2009 г. на коммерческой основе было запущено производство кучного биовыщелачивания медно-никелевых руд (содержание Ni составляло 0,3-0,4 %) [Annual Report..., 2013]. Изначально планировалось к 2010 г. достичь полной производительности, которая должна была составить 3,3 тыс. т никеля, 1,2 тыс. т кобальта, 60 тыс. т цинка и 10 тыс. т меди в год. Максимальных показателей по никелю удалось добиться к 2011 г., однако они составили всего лишь половину (16 087 т) от запланированных еще к 2010 г. [Лодейщиков, 2009; Annual Report., 2013; Financial., 2017; Riekkola-Vanhanen, Palmu, 2016].
Замысел проекта и его развитие в промышленном масштабе пришлись на годы высокой стоимости цветных металлов [Financial., 2017; Riekkola-Vanhanen, Palmu, 2016]. С конца 2005 г. до середины 2007 г. произошел взрывной рост цен на никель. Так, к началу лета 2007 г. цены достигали 52 тыс. долл/т, а в декабре снизились до 26 тыс. долл/т, однако среднегодовая цена рафинированного никеля на Лондонской бирже металлов в 2007 г. выросла и составила 37 тыс. долл/т, что на 52 % выше, чем в 2006 г.
Этот ценовой взрыв и лег в обоснование перспективного финансового успеха предприятия.
К сожалению, резкий рост сменился не менее жестким снижением. Так, по данным Лондонской биржи металлов, в 2016 г. минимальная стоимость товарного никеля была в феврале; стоимость 1 т составила 8329,05 долл., при курсе доллара США, равном 77,32 руб. (Центральный Банк Российской Федерации (ЦБ РФ) https://www.cbr.ru/statistics/finr/); максимальная — 11185,23 долл/т была в ноябре (на тот момент курс доллара США был равен 64,31 руб. (ЦБ РФ)). За 2016 г. цена в среднем составляла порядка 9,5 тыс. долл. за 1 т товарного никеля. Напряженная ситуация на мировом рынке привела к остановке полноценной работы группы компаний Talvivaara [Annual Report., 2013]. Производство было закрыто из-за снижения цен на никель, неоднократных сбоев в техническом процессе, несоблюдения требований экологического законодательства Финляндии, а также из-за нанесения экологического ущерба, включая утечки раствора, содержащего 20 мг/л урана, из аварийного пруда-отстойника [Annual Report., 2013; Financial., 2017].
В Мурманской обл. примером может служить попытка начать разработку техногенного месторождения (ТМ) «Отвалы Аллареченского месторождения» силами ООО «ГРК Монолит». Объект расположен в северо-западной части Мурманской обл., в 45 км южнее п. г. т. Никель Печенгского района. Месторождение представляет собой террасированный плоский отвал, образованный отходами добычи медно-никелевых руд коренного Аллареченского месторождения, разработка которого осуществлялась открытым способом и была завершена в 1971 г. [Селезнев, 2013].
Руды ТМ «Отвалы Аллареченского месторождения» представлены двумя морфологическими типами: 1) массивные, с содержанием полезных компонентов, %: Ni — 5-18, Cu — 0,15-8, Co — до 0,3; 2) вкрапленные: Ni — 0,2-7,9, Cu — 0,12-4,9, Co — до 0,12; с интервалом содержаний соответственно: от 7,9, 4,9 и 0,12 % (для богатых руд) до 0,2, 0,12 и 0,008 % (для убогих руд). В процессе изучения руд были определены два основных свойства, которые могли бы
успешно использоваться при их обогащении: гравитационная и магнитная контрастность.
Промышленные испытания показали, что применение магнитной сепарации позволяет уверенно обогащать как рядовые, так и богатые руды во фракционном диапазоне -60+5 мм и получать качественный концентрат с совокупными содержаниями, %: Ni 2,0-3,7, Cu 1,5-2,2 и Co 0,03-0,08 [Болтыров и др., 2015; Селезнев, 2011, 2013].
Для переработки мелкозернистой фракции, составляющей 10-15 % от всех объемов месторождения, изучена возможность извлечения цветных металлов с помощью биотехнологии. Руды месторождения являются благоприятными к биовыщелачиванию вследствие своих структурно-текстурных особенностей. Выщелачиванию пентландита способствуют его кристаллическое строение, трещиноватость, замещение виоларитом и бравоитом, что обусловливает более быструю деструктуризацию минерала. К неблагоприятным факторам относят высокую долю минералов, обладающих повышенной сорбционной способностью, и характер сростков рудных минералов [Болтыров и др., 2015; Селезнев, 2011, 2013].
Однако финансовые обстоятельства, а именно падение цен на мировом рынке, что негативно сказалось на компании "Talvivaara Mining Company Р1с", также не прошли бесследно и для ООО «ГРК «Монолит». Компания приостановила свою деятельность и вынуждена ждать благоприятных рыночных условий. Важным фактором, безусловно влияющим на развитие предприятий, готовых работать со сложными природными и техногенными объектами, выступает комплекс внутригосударственных условий, а именно прозрачность и адекватность законодательных механизмов, доступность финансовых инструментов, возможность спокойно развивать производство на длительных временных циклах.
Перспективные объекты Мурманской обл., возможная технология переработки бедных медно-никелевых руд и техногенных минеральных образований
Вне зависимости от экономической конъюнктуры необходимо вести анализ имеющихся объектов, изучать мировой и
отечественный опыт для создания перспективных подходов к переработке как бедных руд, так и ГПО.
В качестве многообещающих (с точки зрения переработки комбинированными
обогатительно-гидрометаллургическими технологи-ями) объектов, расположенных в Мурманской обл., рассмотрены забалансовые руды месторождений медно-никелевых руд Монче-горского расслоенного мафит-ультрамафи-тового плутона (Мончеплутон, Мончегорский район). Среди них донная залежь массива Ниттис-Кумужья-Травяная (НКТ), Нюд-II, Нюд Терраса и Морошковое озеро. Техногенные минеральные образования расположены на территории Печенгского района: отвалы Аллареченского сульфидных медно-никелевых руд в пос. Приречный, хвосты обогащения медно-никелевых руд промплощадки АО «Кольская ГМК» в г. Заполярный и отвальные шлаки рудно-термической плавки в п. г. т. Никель [Светлов и
др., 2020].
Среди потенциально экологически опасных этапов добычи и переработки медно-никелевых руд — открытая разработка, складирование и хранение оруденелых вмещающих пород, флотация сульфидных минералов и хранение хвостов обогащения, металлургический передел (плавка
концентрата на штейн) и хранение отвальных шлаков [Светлов и др., 2020]. Потенциальная экологическая опасность характерна для некондиционных медно-никелевых руд, хвостов обогащения и шлаков. Отвалы Аллареченского месторождения отличаются высокой опасностью (NAP, результирующий кислотопродуцирующий потенциал, +104,37), медно-никелевые руды Мончеплутона — средней (NAP +36,51), хвосты обогащения и отвальные гранулированные шлаки — умеренной (NAP +5,35 и +4,84 соответственно).
Исследованные объекты различаются по их пригодности к переработке методом физико-химической геотехнологии. Отлично пригодны к кучному выщелачиванию отвалы Аллареченского месторождения, хорошо — некондиционные руды месторождений Мончеплутона, удовлетворительно — хвосты
обогащения и отвальные гранулированные шлаки [Светлов и др., 2020].
Для исследования возможной переработки гидрометаллургическими методами были использованы образцы забалансовых медно-ни-келевых руд Мончеплутона: Ниттис-Кумужья-Травяная, Нюд-II, Нюд Терраса, Морошковое озеро схожего вещественного состава.
Взаимодействие руды месторождения Нюд II фракции -3+2 мм с выщелачивающим реагентом в динамическом режиме при температуре 19+2 ос в течение 130 сут продемонстрировало следующие величины извлечения металлов при выщелачивании раствором: без окислителя, %: никель — 12,4, медь — 7,2, кобальт — 13,2; с окислителем: никель — 12,4, медь — 6,9, кобальт — 13,3. В качестве реагентов использовали раствор 2 %-й серной кислоты с добавкой сульфата железа (III). Руда содержала, %: Ni — 1,70, Cu— 0,50, Co — 0,07 (для экспериментов использовали образец густовкрапленной руды). Наиболее интенсивно выщелачивается кобальт. Вероятно, это связано с тем, что в руде кобальт присутствует только в составе сульфидов, причем часть его содержится в пирротине. Более низкие показатели характерны для меди.
Среди направлений интенсификации кучного выщелачивания бедных медно-никелевых руд стоит отметить измельчение и последующую сернокислотную агломерацию. Агломерацию вели с 10 %-м раствором H2SO4. Использо-
вали соотношение Т:Ж, равное 3:1. Измельчение руд вели до классов -1, -0,5, -0,25, -0,1 и -0,05 мм.
Наиболее интенсивно никель выщелачивается из руды месторождения Морошковое озеро. За 32 сут извлечение составило более 60 %, при этом почти 20 % никеля перешло в раствор на стадии водного выщелачивания в течение 1 сут (рис. 1, о). Существенно хуже никель выщелачивался из руды месторождения Нюд Терраса: извлечение за тот же период составило всего около 10 %. Очевидно, это связано с тем, что для данной руды преобладает пылевидная вкрапленность сульфидов. Поэтому после растворения более крупных минералов на стадии водного выщелачивания последующий прирост извлечения никеля до окончания эксперимента составил менее 2 % (рис. 1, о). Как и ожидалось, медь выщелачивается значительно медленнее никеля, что связано с ее нахождением в составе «упорного» халькопирита. Наилучшие показатели по извлечению меди достигнуты в экспериментах с рудой месторождения НКТ — около 8 % (рис. 2, б). Самые низкие извлечения меди, как и в случае с никелем, у руды месторождения Нюд Терраса — 1,95 %. Интенсивность выщелачивания никеля и меди в сутки соответственно составила, %: руда месторождения Морошковое озеро — 1,87 и 0,13; руда месторождения НКТ — 0,97 и 0,24; руда месторождения Нюд Терраса — 0,32 и 0,06.
80
60
® 40 -|
tu ц
m
со
S 20 4
"1-1-Г
8 16 24
В р е м я , с у т к и
I
tu т
tu ц
m
со
6-
4-
2-
32
"1-1-Г
8 16 24
В р е м я , с у т к и
32
Рис. 1. Извлечение никеля (о) и меди (б) в раствор при выщелачивании руд месторождений Морошковое озеро (1), НКТ (2) и Нюд Терраса (3)
8
0
0
0
0
Сернокислотная агломерация измельченных руд приводит к существенному улучшению показателей выщелачивания. Так, при выщелачивании руды месторождения Морошковое озеро, измельченной до крупности -3+2 мм, интенсивность извлечения в раствор составила для никеля — 0,48, для меди — 0,08 % в сут, что ниже показателей для руды в окатышах в 3,9 и 1,6 раза соответственно.
При переработке тонкодисперсных техногенных продуктов или природного сырья с высоким
содержанием слоистых гидросиликатов (глинистых минералов) возникают проблемы кольмата-ции, приводящие к ухудшению проницаемости штабеля выщелачивающими растворами и к остановке процесса. В эксперименте с получением окатышей из хвостов обогащения Кольской ГМК при соотношении Т:Ж, равном 5-3:1, в качестве связующего применяли 10-30 %-й раствор H2SO4. Концентрации никеля в растворе стабильны и находятся в диапазоне 0,10,35 г/л (рис. 2, 3).
го
СР
х 0.4 Ч
си
X
о 0.2 Ч
Т
20
Т
40
т
60
т
80
100 0 В р е м я , с у т к и
Г
20
Т
40
т
60
т
80
100
Рис. 2. Концентрации металлов в продуктивных растворах при выщелачивании гранулированных хвостов обогащения медно-никелевых руд
0
Время, сутки
Рис. 3. Кинетика выщелачивания металлов из гранулированных хвостов обогащения медно-никелевых руд
С учетом растворения части силикатных минералов содержание железа достигает значения 0,9 г/л. Таким образом, необходима проработка технических решений селективного удаления железа из продуктивных растворов. Стоит отметить и относительно высокое содержание меди. Показатели для кобальта также достаточно стабильны.
Наиболее интенсивно, как и следовало ожидать, выщелачивается никель. За 110 сут в раствор перешло около 60 % содержащегося в хвостах металла. Более низкие показатели для меди (~44 %) объясняются тем, что металл присутствует в составе халькопирита, а относительно низкие показатели для кобальта (~41 %) связаны, вероятно, с нахождением части металла в виде изоморфной примеси в магнетите.
Исследование медно-никелевых природных и техногенных объектов продемонстрировало принципиальную возможность переработки методом кучного выщелачивания — при условии соответствующей предварительной подготовки.
Важнейшими параметрами физико-химических геотехнологий являются полнота перехода цветных металлов в металлсодержащий раствор, обеспечение селективного извлечения и снижение потерь цветных металлов, концентрируемых в обогащаемом слое [Способ., 2013]. Принципиальная запатентованная схема (рис. 4) имеет следующую структуру: в нижней части сооружения размещают первое анти-
8 19 18
фильтрационное основание 1 из глины или полиэтиленовой пленки для защиты от попадания металлсодержащих растворов в поверхностные и подземные воды. На основание 1 укладывают первый дренажный слой 2, состоящий из дробленых пород, например, вскрышных пород песчаной или гравийной крупности, не содержащих химически активных минералов. На нем размещают выщелачиваемый слой 3 из некондиционного сульфидного рудного материала: отвальной медно-никелевой руды, гранулированных хвостов обогащения медно-нике-левых руд. Присутствующий в рудном материале выщелачиваемого слоя пирротин используют в качестве минерала-интенсифика-тора растворения.
9 10 19 11 12 18 13 16 14 19
8 15 17
Рис. 4. Схема геотехнологической переработки некондиционного сульфидного рудного материала.
Цифрами обозначены: 1, 15— антифильтрационное основание; 2, 14— дренажный слой; 3 — выщелачиваемый слой; 4 — устройство орошения; 5 — напорная емкость; 6,10,12,17— зумпф; 7 — цементатор; 8 — магистральный трубопровод; 9 — накопительная емкость; 11 — реактор; 13 — обогащаемый слой; 16 — перфорированные трубопроводы; 18 — насосы; 19 — запорные вентили
При использовании в качестве материала выщелачиваемого слоя отвальных медно-нике-левых руд их дробят, классифицируют и укладывают послойно от крупных классов внизу к более мелким классам вверху. Если в качестве некондиционного медно-никелевого рудного материала выщелачиваемого слоя используют гранулированные хвосты обогащения медно-никелевых руд, их предварительно гранулируют до крупности гранул 1-3 см. В этом случае предпочтительно использовать фракции хвостов обогащения медно-никелевых руд +0,063 мм. Перед приготовлением гранул хвосты обогащения медно-никелевых руд доизмельчают
до крупности -0,040 мм — для лучшего раскрытия сульфидных зерен, а в качестве связующего используют портландцемент (3-5 %).
Активирование выщелачиваемого слоя осуществляют с использованием перфорированного приспособления 4, соединенного с напорной емкостью 5. В качестве выщелачивающего раствора используют воду или 1-4 %-ю серную кислоту. Металлсодержащий раствор из дренажного слоя 2 поступает в первый зумпф 6, в котором при необходимости производят корректировку рН, откуда раствор подается в цементатор 7. В случае недостаточной концентрации меди металлсодержащий раствор из
зумпфа 6 подается на вход выщелачиваемого слоя 3 по трубопроводу 8. В емкости 9 цементационная медь отделяется от металлсодержащего раствора, который поступает во второй зумпф 10. Из зумпфа 10 металлсодержащий раствор перекачивается в реактор 11, куда подается карбонатит, и при перемешивании осуществляется селективное осаждение железа в виде его гидроксида. Полученный железосодержащий осадок отделяют и утилизируют, например, в производстве строительных материалов. Очищенный от железа металлсодержащий раствор поступает в третий зумпф 12, откуда он подается в обогащаемый слой 13, состоящий из слоистых гидросиликатов или смеси активного кремнезема с карбонатитом. В случае низкой концентрации никеля и кобальта металлсодержащий раствор из третьего зумпфа 12 перекачивается на орошение выщелачиваемого слоя 3 по трубопроводу 8. Обогащаемый слой 13 размещают на втором дренажном слое 14, который располагают на втором антифильтрационном основании 15. Подачу никель-кобальтсодержащего раствора осуществляют снизу вверх через расположенные вертикально в материале обогащаемого слоя 13 перфорированные трубопроводы 16. Отработанный раствор, практически не содержащий никеля и кобальта, поступает во второй дренажный слой 14 и оттуда в четвертый зумпф 17. Оттуда отработанный раствор либо отправляют на сброс, либо на вход выщелачиваемого слоя 3, через емкость 5, где производят корректировку раствора. Участки извлечения меди и осаждения железа соединены друг с другом и выщелачиваемым 3 и обогащаемым 13 слоями посредством трубопроводов 8, снабженных насосами 18 и запорными вентилями 19. Полученный никель-кобальтовый продукт направляют на переработку известными гидрометаллургическими способами. После завершения растворения сульфидов отработанный выщелачиваемый слой 3 может быть использован в строительстве в качестве заполнителя или переработан в строительные материалы.
Предложенная методика геотехнологической переработки некондиционного сульфидного рудного материала из отходов обогащения техногенных месторождений позволяет снизить экологические риски и экономические
издержки горно-обогатительных комбинатов. Складируемые до настоящего времени отходы обогащения руд, по сути, являются техногенными минеральными объектами, которые, с одной стороны, имеют огромный экономический потенциал, с другой — являются источником загрязнения окружающей среды [Бло-шенко, 2014].
Ключевым аспектом рассмотрения вопроса снижения негативного воздействия на ОС хво-стохранилищ является активное вовлечение отходов обогащения во вторичное использование, связанное с принятием новых федеральных нормативных актов [Ежов, 2016]. При сохраняющихся тенденциях изменения федерального законодательства в сфере недропользования в ближайшем времени может остро встать вопрос о необходимости внедрения данной разработки в технологические процессы на действующих производственных предприятиях горнопромышленных комплексов региона. Анализируя вклад хвостов в промышленное загрязнение региона, заметим, что отходы обогащения руд практически на всех производствах оцениваются как малоопасные (отнесены к V классу опасности отходов ФККО) [Об утверждении., 2017]. В связи с этим немаловажным условием внедрения указанной технологии извлечения тяжелых металлов из отработанных горных пород является исключение вероятности образования новых отходов более высокого класса опасности, переработка которых в нынешних экономических реалиях станет невозможна или экономически нецелесообразна. Предложенная нами технология не приведет к снижению качества окружающей природной среды, так как отходы, образующие в результате технологического процесса, могут быть направлены на получение строительных материалов в виде заполнителей. Внедрение указанной технологии экономически целесообразно в условиях возрастающей стоимости платы за негативное воздействие, стоимости добычи полезных ископаемых, исчисленной в виде НДПИ (налог на добычу полезных ископаемых), стоимости хранения отходов и выпадающих доходов от использования земельных участков, экологического ущерба.
Проблемы пыления и очистки сточных вод
Вторичное использование отходов обогащения позволит решить другую немаловажную экологическую проблему ГОКов — пыление [Маслобоев и др., 2018]. Проблема контроля содержания в атмосферном воздухе населенных мест неорганической пыли при возникновении неблагоприятных метеорологических условий (НМУ), несмотря на различные применяемые методы, по-прежнему актуальна. С момента утверждения приказа Минприроды России [Проект., ЭР] станет возможным оценивать ущерб, нанесенный при возникновении НМУ, и экологический ущерб, связанный с загрязнением атмосферного воздуха в период НМУ, при этом его сумма возрастет многократно. Крупные горнопромышленные компании вынуждены тратить значительные финансовые ресурсы, чтобы подобрать эффективные способы борьбы с пылением. Стоит отдельно отметить, что универсальных и «проверенных» методов с низкой стоимостью применения для «всех» фактически не существует.
Кольский филиал АО «Апатит» является одним из крупнейших горно-обогатительных предприятий страны. Современные хвостовые хозяйства представляют собой сложный комплекс гидротехнических сооружений, включающих системы гидротранспорта и гидроукладки хвостов обогащения, очистки и отвода воды, возврата ее (воды) в оборот после осветления. Общая площадь хвостохранилищ АО «Апатит» достигает более 2,5 тыс. га. Они являются крупнейшими техногенными массивами и наиболее интенсивными источниками аэротехногенного воздействия на окружающую среду в Мурманской обл.
Одно из двух эксплуатируемых хвостохранилищ АО «Апатит» предназначено для складирования отвальных хвостов апатитонефелиновой обогатительной фабрики № 2 (АНОФ-2), а также тонкодисперсных золошлаковых отходов Апатитской ТЭЦ.
АНОФ-2 представляет собой крупный производственный комплекс по обогащению апатитонефелиновых руд с выделением апатитового и нефелинового концентратов, а также сопутствующих алюмокремниевого
коагулянта-флокулянта, сфенового и эгиринового концентратов. Хвостохранилище АНОФ-2 расположено в губе Белой оз. Имандра на расстоянии около 1,5 км на северо-запад от площадки основного производства АНОФ-2, в 3,1 км от границы селитебной зоны. Территория хвостохранилища общей площадью 7,8 км2 вытянута с юго-востока на северо-запад, ограничена с востока Хибинским горным массивом, с запада — оз. Имандра. Ежегодно с АНОФ-2 поступает более 6 млн м3 хвостов обогащения. Высыхание поверхности хвостохранилища в летний период обеспечивает быструю потерю влаги верхними слоями хвостов, и под воздействием ветровой эрозии возникает пыление, что приводит к ухудшению санитарно-гигиенической
обстановки в г. Апатиты. На сегодняшний день хвостохранилище АНОФ-2 является наиболее интенсивным источником пыли среди техногенных объектов предприятий Мурманской обл. Следует также отметить, что вблизи хвостохранилища находится Имандра — крупнейшее озеро региона.
Мониторинг пылеподавления в натурных условиях хвостохранилища АНОФ-2 и лабораторные исследования свойств покрытий, образованных связующими реагентами Alcotac DS1, Floset S44 и Dustbind, продемонстрировали близкие характеристики.
К преимуществам реагента Alcotac DS1 можно отнести высокие прочностные характеристики покрытия,
атмосферостойкость, в том числе устойчивость в циклах замораживание-оттаивание, однако его использование характеризуется высокой стоимостью обработки.
Реагент Floset S44 продемонстрировал наибольшую устойчивость к выщелачиванию в водных растворах, вместе с тем атмосферостойкость, кинетика набора прочности и водопроницаемость покрытия оказались наихудшими по сравнению с остальными испытуемыми образцами.
Наиболее предпочтительным связующим реагентом следует признать реагент Dustbind. Его основные преимущества — низкая стоимость обработки, хорошие атмосферостойкость, водопроницаемость покрытия и устойчивость к выщелачиванию в водных растворах.
Реагент Dustbind в настоящее время успешно применяется АО «Апатит» для пылеподавления хвостохранилища АНОФ-2 вместо анионной битумной эмульсии и обеспечивает не только существенное сокращение трудозатрат, но и снижение времени обработки единицы площади хвостов.
Для предприятий горной промышленности актуальной экологической задачей, наряду с пылением, выступает очистка сточных вод. Широкий спектр ионного состава, высокая концентрация взвешенных веществ и органических соединений, включая нефтепродукты, значительные объемы сточных вод, необходимость использования различных, как правило комбинированных, технологий очистки формируют высокие капитальные и эксплуатационные затраты. Вместе со сложностью инженерных решений и высокой экономической стоимостью предприятию необходимо учитывать следующие факторы: отвод площадей под реализацию схемы (не всегда ее можно «встроить» в имеющиеся площади и существующие объекты); проблемы складирования, утилизации и переработки образующихся отходов от выбранной схемы очистки. Важным пунктом выступают географические условия самого объекта [Светлов и др., 2019].
Объем водоотведения рудника «Северный» АО «Кольская ГМК» составляет около 9,5 млн м3 в год, из которых 20-25 % после первичной очистки возвращается для производственных нужд на рабочие горизонты. Очистные сооружения шахтных вод предприятия состоят из двух соединенных между собой прудков-отстойников и СОШВ (станция очистки шахтных вод). Станция, производительностью 330 м3/ч, была построена по типовому проекту в 1978 г., после реконструкции в 2003 г. ее производительность была увеличена до 500 м3/ч.
В настоящее время, ввиду увеличения объема и ужесточения требований к качеству очистки сточных вод рудника, СОШВ не обеспечивает заданных показателей очистки всего потока шахтных вод. Уровень загрязнения сбрасываемых шахтных вод превышает предельно допустимые концентрации для сброса в водные объекты хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКхпкб): по нефтепродуктам — в 6,9 раза, меди — в 12 раз,
аммонийному азоту — в 22 раза, нитритам — в 79 раз, нитратам — в 1,7 раза.
Для прекращения сброса загрязняющих веществ в поверхностные водоемы и снижения потребления свежей технической воды ранее ОАО «НИИ ВОДГЕО» проведены испытания по очистке шахтных вод с использованием методов химического осаждения, флокуляции и коагуляции. По результатам испытаний был разработан регламент на проектирование очистных сооружений и предложена технологическая схема очистки шахтных сточных вод рудника «Северный», включающая в себя следующие основные операции:
• механическая очистка исходного стока от грубодисперсных примесей безреагентным отстаиванием в существующих прудках-отстойниках;
• реагентная обработка осветленного стока с применением щелочи и флокулянта в условиях значений рН 9,0-9,5 для осаждения гидроксидов металлов в специальных камерах реакции (смесителях и камерах хлопьеобразования);
• вторичное отстаивание коагулированного/флокулированного стока;
• корректировка рН, обработка осветленного слива коагулянтом (на основе солей алюминия);
• механическая фильтрация отстоянного стока в режиме контактной коагуляции, окисление и доочистка стоков на сорбционных фильтрах;
• сбор и обезвоживание осадка.
Сравнительные испытания, выполненные в
зимний период в условиях СОШВ рудника «Северный» с использованием мобильного стенда, показали, что эффективность химической коагуляции будет существенно зависеть от параметров шахтной воды и времени года. Низкая интенсивность хлопьеобразования приведет к тому, что неукрупненные образующиеся фло-кулы и непрореагировавшие реагенты (коагулянт и флокулянт) будут поступать на механическую фильтрацию и сорбционную очистку (угольные фильтры) без предварительного их удаления, что приведет к необходимости частой замены загрузок фильтров.
При электрохимической коагуляции использовался импульсный реверсивный источник постоянного тока мощностью до 600 Вт с плавной регулировкой и стабилизацией по току и проточный электрокоагулятор с электродами из стали марки Ст3. После электрохимической коагуляции осуществляли аэрацию обработанной воды воздухом в течение 5 мин — для окисления ионов Fe2+— и подачу в нее флокулянта. В результате при последующем осветлении воды эффективно формировался слой осадка из коа-гуляционных структур гидроксида железа (III). Метод электрохимической коагуляции позволяет нивелировать условия окружающей среды благодаря широкому рабочему диапазону электрохимически полученного коагулянта (температура и значение рН воды).
Высокая эффективность очистки шахтных вод обеспечивается как за счет быстрого формирования «хлопьев» гидроксидов железа (с большой удельной поверхностью и сорбцион-ной емкостью), так и возможностью удаления азотистых и органических соединений за счет их разложения (на анодах) на CO2 газ, NO2 газ и воду. По отдельным параметрам достигнуты значения ПДК (NO3-, Cu, Ni, нефтепродукты и Feобщ), незначительно превышающие (NO2") ПДК водных объектов рыбохозяйственного назначения.
К преимуществам электрокоагуляции можно отнести полное исключение из схемы химического коагулянта, кислот и щелочей, возможность уменьшения расхода флокулянта на 50-100 %, снижение частоты промывки фильтров и расхода для этих целей чистой воды. Укрупненные стендовые испытания показали более высокую эффективность схемы очистки шахтных вод рудника «Северный» на
основе использования метода электрохимической коагуляции с использованием растворимых анодов из стали марки Ст3. Схема характеризуется простотой в исполнении и удобством в эксплуатации, что позволяет обеспечить требуемую эффективность очистки воды при более низких капитальных и эксплуатационных затратах.
Заключение
В работе выполнен обзор научных исследований, направленных на вовлечение в переработку бедных руд и ГПО. Затронуты проблемы хранения отходов и разработки методов снижения негативного воздействия на окружающую среду. Рассмотрены варианты очистки сточных вод для предприятий горнопромышленного сектора.
На объектах ГПО могут формироваться неорганизованные источники сброса загрязняющих веществ в водные объекты различной категории. На основе экспериментальных исследований разработан способ геотехнологической переработки некондиционного медно-никеле-вого рудного материала, который позволяет получить селективные товарные продукты меди, никеля и кобальта, а также выделить железо в отдельный продукт при снижении потерь цветных металлов и обеспечении высокой степени извлечения металлов в металлсодержащий раствор.
Применение указанного способа геохимической переработки некондиционного сульфидного рудного материала, содержащего цветные металлы и железо, позволяет извлечь ценные для промышленности компоненты и, как следствие, снизить негативное воздействие отходов на окружающую среду.
Литература
Аксенов Е. М., Садыков Р. К., Алискеров В. А., Киперман Ю. А., Комаров М. А. Техногенные месторождения — проблемы и перспективы вовлечения в хозяйственный оборот // Разведка и охрана недр. 2010. № 2. С. 17-20.
Архипов А. В., Решетняк С. П. Техногенные месторождения. Разработка и формирование / под науч. ред. акад. Н. Н. Мельникова. Апатиты: КНЦ РАН, 2017. 175 с.
Блошенко Т. А. Государственное регулирование эффективности вовлечения промышленных отходов в переработку в целях снижения экологических рисков // Экономика и управление. 2014. Вып. 6. С. 36-41.
Болтыров В. Б., Селезнев С. Г., СтороженкоЛ. А. Оптимальное сочетание способов обогащения сульфидных медно-никелевых руд техногенного объекта «Отвалы Аллареченского
месторождения» // Междунар. науч.-исслед. журн. 2015. № 11 (42), ч. 3. С. 113-117.
Быховский Л. З., Спорыхина Л. В. Техногенные отходы как резерв пополнения минерально-сырьевой базы: состояние и проблемы освоения // Минеральные ресурсы России. 2011. № 4. С. 15-20.
Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области в 2018 г. / Министерство природных ресурсов и экологии Мурманской области. 2019. URL: https://gov-murman.ru/region/environmentstate (дата обращения: 25.11.2020).
Ежов А. И. Оценка техногенного сырья в Российской Федерации (твердые полезные ископаемые) // Горные науки и технологии. 2016. Вып. 4. С. 62-75.
Лодейщиков В. В. Переработка никельсодержащих руд методом кучного бактериального выщелачивания. Опыт финской фирмы Talvivaara // Золотодобыча. 2009. № 132. С. 12-14.
Маркович Т. И., Разворотнева Л. И. Окислительное выщелачивание сульфидной удоканской руды с участием кислородных соединений азота в криогенных условиях // Вестник ОНЗ РАН. 2011. № 3. NZ6071.
Маслобоев В. А., Светлов А. В., Конина О. Т., Митрофанова Г. В., Туртанов А. В., Макаров Д. В. Выбор связующих реагентов для предотвращения пылеобразования на хвостохранилищах переработки апатит-нефелиновых руд // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018. № 2. С. 161-171. DOI: 10.15372/FTPRPI20180218.
О порядке исчисления и взимания платы за негативное воздействие на окружающую среду: постановление Правительства РФ от 03.03.2017 № 255 // Правительство России: офиц. сайт. URL: http://government.ru/docs/26694/ (дата обращения: 25.11.2020).
Об утверждении Федерального классификационного каталога отходов: приказ Министерства природных ресурсов и экологии РФ № 242 от 22.05.2017 (с изм. от 2 ноября 2018 г.) // Гарант.ру: информационно-правовой портал. URL: https://base.garant.ru/71695086/ (дата обращения: 25.11.2020).
Отчеты и результаты ПАО «ГМК «Норильский никель». URL: https://www.nornickel.ru/investors/ reports-and-results/ (дата обращения: 25.11.2020).
Проект приказа «Об утверждении Методики исчисления вреда, причиненного атмосферному воздуху, как компоненту природной среды» // Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации: офиц. сайт. URL: https://www.mnr.gov.ru/docs/metodicheskie_doku-menty/proekt_prikaza_minprirody_rossii_ob_utverzhdenii_metodiki_is-chisleniya_razmera_vreda_prichinennogo_a/ (дата обращения: 25.11.2020).
Птицын А. Б. Геохимические основы геотехнологии в условиях мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1992. 120 с.
Птицын А. Б., Сысоева Е. И.Криогенный механизм образования зоны окисления Удокана // Геология и геофизика. 1995. № 3. С. 90-97.
Светлов А. В., Миненко В. Г., Самусев А. Л., Салахов Е. М. Очистка шахтных вод рудника «Северный» АО «Кольская ГМК» методом электрохимической коагуляции // Цв. металлы. 2019. № 11. С. 52-56. DOI: 10.17580/tsm.2019.11.06.
Светлов А. В., Припачкин П. В., Маслобоев В. А., Макаров Д. В. Классификация некондиционных медно-никелевых руд и техногенных минеральных образований по их экологической опасности и пригодности к гидрометаллургической переработке // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2020. № 2. С. 128-136. DOI: 10.15372/FTPRPI202002015.
Селезнев С. Г. Нетрадиционные эффективные способы обогащения сульфидных медно-никелевых руд на примере Аллареченского техногенного месторождения // Известия вузов. Горн. журн. 2011. № 8. C. 118-125.
Селезнев С. Г. Отвалы Аллареченского месторождения сульфидных медно-никелевых руд -специфика и проблемы освоения: дис. ... канд. геол.-минерал. наук: 25.00.11. Екатеринбург, 2013. 147 с.
Способ геотехнологической переработки некондиционного сульфидного рудного материала, содержащего цветные металлы и железо: пат. 2502869 Рос. Федерация № 2000131736/09; заявл. 2012.03.05; опубл. 27.12.2013.
Хабиров Е. Т., Шадрунова И. В., Гаркави М. С. Формирование гранул из сульфидных отходов обогащения для кучного выщелачивания. // Горный информационно-аналитический бюллетень (науч.-техн. журн.). 2007. С. 309-314.
Халезов Б. Д. Кучное выщелачивание медных и медно-цинковых руд: (отечественный опыт). Екатеринбург: УрО РАН, 2013. 346 с.
Чантурия В. А., Козлов А. П. Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья // Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья (Плаксинские чтения — 2017): материалы Междунар. науч. конф., Красноярск, 12-15 сентября 2017 г. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2017. С. 3-6.
Шадрунова И. В., Зелинская Е. В., Волкова Н. А., Орехова Н. Н. Горнопромышленные отходы: ресурсный потенциал и технологии переработки (на примере Сибири И Урала) // Современные проблемы комплексной переработки труднообогатимых руд и техногенного сырья (Плаксинские чтения — 2017): материалы Междунар. науч. конф., Красноярск, 12-15 сентября 2017 г. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2017. С. 15-21.
Annual Report TALVIVAARA / Talvivaara Mining Company Plc. 2013. 178 p.
Financial Reports 2017 / Talvivaara Mining Company Plc. 2017. URL: https://www.globenews-wire.com/news-release/2017/03/21/942558/0/en/Talvivaara-Mining-Company-annual-results-review-for-the-year-ended-31-December-2016.html (accessed 25.11.2020).
Van Dam K., Scheepstra A., Gille J., Stepien A., Koivurova T. Mining in the European Arctic // The changing Arctic and the European Union: a book based on the Report "Strategic Assessment of Devel-opement of the Arctic: Assessment Conducted for the European Union" / ed. Adam Stepien, Timo Koivurova, Paula Kankaanpaa. Leiden | Boston : Brill / Nijhoff, 2016. Vol. 89. P. 163-185.
Ollakka H., Ruuska J., Taskila S. The application of principal component analysis for bioheapleaching process — Case study: Talvivaara mine // Minerals Engineering. 2016. Vol. 96. P. 48-58.
Riekkola-Vanhanen M., Palmu L. Talvivaara Nickel Mine — from a project to a mine and beyond // Proc. symposium Ni-Co 2013. Springer International Publishers, Switzerland, 2016. P. 269-278.
Watling H. R., Collinson D. M., Watling R. J., Shiers D. W. Simulated heap leaching and recovery of multiple elements from a mineralised black shale // Hydrometallurgy. 2017. Vol. 167. P. 48-47.
Watling H. R. The bioleaching of nickel sulphides // Hydrometallurgy. 2008. Vol. 91, Nо. 1-4. P. 70-88.
