CC BY
46
------------------------------- © А.Н. Махинов, А.Ф. Махинова,
М.Н. Шевцов, 2007
УДК 622.88
А.Н. Махинов, А.Ф. Махинова, М.Н. Шевцов
СОСТОЯНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ В РАЙОНАХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЗОЛОТОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРИОХОТЬЯ: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ *
Введение
Экологическая проблема, связанная с использованием водных ресурсов в районах разработки полезных ископаемых в Приохотье приобретает все большую остроту и актуальность. Рост внимания к исследованиям развития крупных промышленных предприятий в области освоения минеральных ресурсов с высоким индексом загрязнения обусловлен масштабом экологического ущерба, как прямого, так и косвенного.
Традиционная схема получения продукта из руды (добыча руды, транспортировка и переработка на ГОК, обогащение концентрата и получение конечного продукта) невозможна без использования больших объемов природных вод территории. Кроме того, следует учитывать и косвенное воздействие технологического процесса на природные воды в процессе окисления сульфидных минералов, обусловленные потерей руды при транспортировке и длительном хранении отходов.
Объектом повышенной опасности для природных водных ресурсов являются хвостохранилища [5]. Зернистые фильтры, используемые для доочистки сточных вод, сбрасываемых в водоемы, имеют недостатки, связанные с их эксплуатацией и, в первую очередь, с удалением осадка. В процессе исследований проведен сравнительный анализ существующих сгустителей для небольших расходов пульпы и разработаны более рациональные конструкции, позволяющие повысить эффективность удаления осадка.
Объекты и методы исследования. Исследования проводи-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №06-05-96072 _р_восток_а).
лись в бассейнах рр. Ариавкан и Тарынг-Лата (Аяно-Майский район Хабаровского края).
1. В радиусе 200м от места складирования отходов с шаговым опробованием в 50м - по горизонтам почв были отобраны образцы. Для контроля отобирались образцы идентичных почв, находящихся вне зоны влияния горнопромышленного производства. Анализировались также результаты химического состава и свойств почв ранее проведенных исследований.
2. В русле р. Ариавкан и ее притоков отбирались пробы воды и донных отложений.
3. Содержание тяжелых металлов в почве и донных отложениях определялось атомно-абсорбционным методом на Спектро-скане N0 835 (Lif 200) в воде - масс-спектрометрией с индуктивно связанной плазмой.
4. Проводилось испытание лабораторного гидроциклона ГЦ-50 для доочистки стоков от взвешенных веществ.
Хранение отходов и экологические последствия. В составе руд и рассеянной сульфидной минерализации, разрабатываемых месторождений Приохотья, представлены такие металлы, как Си, 2п, Fe, Мп, Ag, Ва, Аи, в значительных концентрациях отмечаются Cd, As, Sb, Т1, ^, Se и др [6].
При разработке месторождений в Приохотье открытым способом вскрышные породы в огромных количествах складируются на поверхности и превращаются в мощный источник загрязнения почв и воды на десятки и сотни лет. Атмосферные воды, накапливающиеся в теле отвала, превращаются в насыщенные металлами растворы кислот, которые дренируются в подстилающие почвы, резко понижая их кислотность и образуя органно-минеральные комплексы. Затем они поступают в грунтовые воды, ручьи и реки [5, 7].
По предварительным оценкам, только в таежной зоне Северного Приохотья складировано более 250 млн. т. отвальных пород, свыше 120 млн. т. хвостов обогащения, накоплено около 50 млн. т. других техногенных отходов (табл. 1).
В зоне окисления отвалов сульфидных месторождений в условиях гумидного климата происходит окисление сульфидов. Процессы окисления сульфидных минералов сопровождаются образованием большого количества серной кислоты и повышением Таблица 1
Объемы отходов и содержание в них меди,
№ ii.ii Горно-обогатитель-ные предприятия Объемы отходов млн. т Содержание компонентов тыс. т
Си Zn 8
1. Тас-Юрях (Аривкан) 1,6 0,6 1,2 206,0
2. Рябиновый 0,9 0,4 0,7 143,2
3. Юбилейный 1,8 0,8 1,8 300,8
4. Комсомольская залежь 1,2 1,2 1,6 203,2
5. Многовершинный 19,1 24,9 29,8 918,9
температуры [2]. Снеготалые и дождевые воды активизируют процессы окисления и выщелачивания токсичных элементов, таких как медь, цинк, свинец, мышьяк, кадмий, железо, которые загрязняют почвенный покров, подземные воды, и через дренирующие почвенные растворы и поверхностный сток могут попадать в реки [8].
Исследования почв в радиусе 200 м от складирования твердых отходов выявили следующее:
- почвенные растворы приобретают кислую реакцию и высокую агрессивность, в почвенном профиле формируется горизонт альфегумусового выноса, на что указывает характер изменения органического вещества в профиле почв (табл. 2);
- содержание и распределение железа и марганца в почвах происходит по элювиально-иллювиальному типу, что обусловлено процессами выщелачивания и внутрипочвенным стоком;
- в вертикальном разрезе почв загрязнение токсичными элементами Sr, РЬ, 2п, Си выше фонового содержания установлено до глубины 25 см.
- максимальное содержание Sr и Сг наблюдается в верхних органогенных горизонтах;
- высокий коэффициент миграции в кислой среде поддерживает повышенные концентрации тяжелых металлов также в минеральной части профиля.
Накопление тяжелых металлов в нижней части профиля связано с экспонированием породы, увеличением локальной площади выветривания за счет отвалов и возникновения мощных техногенных геохимических потоков вниз по склону.
280
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в почвах бассейна р. Ариавкан
№ пробы Горизонт, глубина взятия образца, см) Сорг. % на сух. нав. Валовое содержание тяжелых металлов в профиле почв (мг/кг)
8г РЬ Zn Си N1 Со Fe20з Мп Сг
Р1 - нижняя часть склона крут. 25-350 (500 м от складирования отходов)
18 АТ (0-02) 24,58 624 25 74 26 38 14 2830 531 127
15 АоА2 (2-5) 16,03 197 15 52 19 26 10 2339 338 87
20 А2В (5-10) 1,27 190 10 33 15 17 15 1278 421 66
19 ВС (20-25) 2,88 109 10 31 14 16 16 1454 415 62
Р2 (на площадке, примыкающей к < >абрике в 100 м от складирования отходов)
21 ОТ(15-20) 22,62 926 34 82 30 47 18 2721 1002 165
16 А2 (20-25) 1,20 390 17 63 20 29 11 2247 374 91
17 Вg (30-35) 1,20 44 12 41 14 21 11 5961 466 78
14 ВС (45-50) 1,17 30 12 39 13 15 13 1138 295 50
*Все анализы выполнены в ИВЭП ДВО РАН:
а) ТМ - на спектроскане N0 835 (Lif 200) (аналитик - А.Г. Жуков)
б) Сорг. - по методу И.Ю Тюрина (аналитик С.И. Левшина)
Состояние хвостохранилищ. Анализ концентраций загрязняющих веществ хвостохранилищ - диспергированных токсичных минералов и водорастворимых загрязняющих веществ свидетельствуют о том, что в жидкой пульпе содержится значительное количество цинка, меди и свинца и свыше 30 % кобальта от общей массы их содержания в рудах (табл. 3). Полученные результаты геохимического исследования по периферической части хвостохранилища, рассматриваются как средние концентрации элементов, поддерживающиеся технологией обогащения и потерей этих компонентов.
Для выявления направленности эколого-геохимической ситуации в исследованном районе, анализировались также образцы донных отложений р. Ариавкан, отобранных, соответственно, выше и ниже расположения ЗИФ. Донные отложения являются одним из наиболее информативных объектов исследований при анализе эколого-геохимической обстановки. Аккумулируя загрязнители, поступающие с водосборов в течение длительного промежутка времени, донные осадки являются индикатором экологического состояния территории, своеобразным интегральным показателем уровня загрязненности. В донных отложениях русла р. Ариавкан наблюдается увеличение содержания никеля (54,2 мг/кг), что в 1,7 раз превышает его содержание в породе. Содержание всех элементов в отложениях русла ниже, чем в почвообразующей породе.
Наибольший интерес по оценке состояния донных отложений (и соответственно поверхностных вод) представляют тяжелые металлы (с атомным весом >40). Почти все они относятся к ксенобиотикам - чуждые живому (металлы-токсиканты) [10]. Среди металлов-токсикантов выделяется «приоритетная группа». В нее входят стронций ^г), медь (Си), хром (Сг), никель (N1), кобальт (Со), свинец (РЬ), цинк (2п), марганец (Мп) и в определенной степени железо ^е) (табл. 4). Из них стронций, свинец и кобальт наиболее токсичны для здоровья животных и человека [3].
Процессы формирования качества воды в р. Ариавкан. В водных средах тяжелые металлы проявляют выраженные комлек-сообразующие свойства. Находясь в гидратированном состоянии, они способны образовывать различные
282
Таблица 3
Химический состав поверхностных вод в районе ГОКа “Тас-Юрях” (в мг/дм3)
Место отбора рн ВВ SO42- Zn Си ]Ш4 ро43- N0/ Са2+ Mg2+
Подземный сток в карьер 8,38 44,0 143,0 <0,004 0,0043 0,14 0,083 14,26 57,12 34,05
Отстойник карьерных вод 8,02 3,0 146,0 0,006 0,0029 0,49 <0,016 39,57 51,00 50,70
Хвостохрани-лище (водоем) 8,37 <3,0 676,0 <0,004 0,0028 0,49 <0,016 33,44 265,2 113,1
Руч.Сбросо-вый(н. течен) 8,39 <3,0 <10 <0,004 0,0018 0,19 <0,016 0,25 50,20 11,31
Руч.Тас-Юрях (н. течение) 8,32 18,0 38,0 <0,004 0,0022 0,15 0,053 2,41 32,87 18,24
Р. Ариавкан (в. карьера) 8,31 <3,0 <10 <0,004 0,0017 0,18 <0,016 0,17 39,80 9,24
Р. Ариавкан (напр. ЗИФ) 8,36 5,0 <10 <0,004 0,0018 0,23 <0,016 0,47 54,06 10,50
Р..Ариавкан н. аэродрома 7,99 <3,0 164,0 <0,004 0,0019 0,33 <0,016 0,62 37,90 4,86
Примечание: ВВ - взвешенные вещества
283
Таблица 4
Среднее содержание тяжелых металлов в почвенном покрове и донныш отложениях
Название почв, Положение в рельефе Содержание тяжелых металлов (мг/кг)
гори зонты са РЬ Си Zn N1 As Не
*Поигст Выположенная по-
(А0А2дер) верхи., зона отвалов (50-120 м) 0,51 22,0 30,5 46,7 32,3 4,96 0.08
**ПБст Н.часть скло-на,
(А0Адер.) верхняя часть от-водн. канавы в 15 м 0,58 35,0 20,08 115,8 45,7 5,12 0.06
***ГЛст (Орг.Тоф) Склон, в 40 м от складирования руды 0,40 21,1 13,1 66,5 61,4 3,92 0.06
****дО (гл. взя-тия 0-6см) Русло р. Ариавкан, выше ЗИФ 0,44 14,2 7,5 37,6 74,6 3,92 0.04
ДО (гл. взятия - 0-6 см) Русло р. Ариавкан, нижеЗИФ 0,52 17,9 13,3 36,1 54,2 3,72 0.05
комплексные соединения, состав которых зависит от кислотности воды [4]. Аккумуляция ионов тяжелых металлов и их комплексов донными отложениями зависит от: 1) содержания металла в растворенной форме на контакте с донными отложениями и температурой воды; 2) содержанием в составе донных отложений химически активных тонкодисперсных фракций, способных к поглощению и сорбции, 3) наличия в их составе органического вещества, адсорбированного или химически связанного.
Концентрация металлов в донных отложениях определяется процессами сорбции (интенсивность этого процесса зависит от скорости водного потока и осаждения взвесей) и десорбции (процессами гидратации и образования свободных ионов металлов и связывании ионов металлов в водной среде растворенными органическими веществами). На механизм равновесия сорбции-десорбции, определяющее влияние оказывают сезонные колебания концентраций различных форм тяжелых металлов. В зимний период концентрация тяжелых металлов в донных отложениях максимальна, а летом вследствие высокой скорости водного потока в реке снижается.
Формы существования тяжелых металлов в донных отложениях различны (в виде минеральных солей - простых и двойных-гидратированных, хелатов, органоминеральных комплексов и множества различных соединений с углеводородами, находящихся в адсорбированной форме на частицах взвеси). Органо-минеральные комплексы преобладают, по своим химическим свойствам они менее устойчивы. Период их существования зависит от концентрации высоко молекулярных углеродных соединений и скорости биодеградации, температуры водоема и продолжительности теплого периода, высоты «водного столба» над поверхностью донных отложений, РН водоема и др. [3].
Химико-аналитические методы определения форм существования тяжелых металлов в донных отложениях, в настоящее время, не совершенны и часто не позволяют получить надежные данные. Это связано с многими причинами, но главными из них являются:
1) невозможность разделения комплексных и органоминеральных соединений, содержащихся в донных отложениях;
2) постоянно меняющиеся условия природных процессов и факторов;
3) обратимость химических процессов в зоне контакта донных отложений с водой и, как следствие, постоянно меняющаяся концентрация реагирующих веществ;
4) прочность органно-минеральных комплексов естественного происхождения.
Поскольку утвержденные экологические нормативы содержания тяжелых металлов в донных отложениях отсутствуют, при анализе полученных результатов были использованы ПДК для почв (с учетом фона кларка). Распределение тяжелых металлов в донных отложениях и динамика их концентраций во времени изменяется в широких пределах, что связано с низкой сорбционной емкостью почво-грунтов и речных отложений и их буферными свойствами. Низкая сорбционная емкость донных отложений р. Ариавкан определяется песчаными и гравийно-галечниковыми отложениями русла реки.
Анализ полученных результатов обнаруживает более низкие показатели содержания тяжелых металлов в донных отложениях рек исследуемой территории, чем в почвах, что обусловлено их более легким механическим составом, свидетельствуя о более низкой сорбционной емкости донных речных отложений.
Методы снижения отрицательных последствий. Одним из радикальных путей совершенствования водного хозяйства обогатительных фабрик является создание внутрифабричного водооборота. Для этих целей целесообразно применять компактные водоочистительные сооружения и аппараты, которые могут эффективно дополнять существующие схемы обогащения или водооборота и удовлетворять технологическим и экологическим требованиям [1].
Для очистки хвостовой пульпы от взвешенных веществ предлагается гидроциклон малого диаметра специальной кон-струкции. Лабораторный образец такого гидроциклона был испытан в производственных условиях на золотоизвлекатель-ной фабрике рудника «Юбилейный» ЗАО «Артель старателей Амур» в июле 1997 и августе 2003 гг. Как показали результаты исследований АООТ «Ирги-редмет», в хвостах имеются потери золота с массой частиц менее 0,074 мг. Поэтому одновремен-но с исследованиями эффективности очистки стоков от взве-шенных частиц определялось содержание драгметалла в песках гидроциклона диаметром 50 мм, т.к. его разделительная спо-собность составляет порядка 10-20 мк [9]. Лабораторные и производственные исследования показали эффектив-
ность выделения взвешенных веществ порядка 60 %. Содержание драгметалла в песках после обработки на гидроциклоне ГЦ-50 составляло 1,1-3,1 г/т.
Для обработки хвостовой пульпы на обогатительных фабриках России и за рубежом применяют специальные конструкции сгустителей. Однако в этих сооружениях имеются недостатки, связанные с его эксплуатацией и, в первую очередь, с удалением осадка. Проведенный сравнительный анализ существующих сгустителей для небольших расходов пульпы позволил разработать рациональные конструкции, повышающие эффективность удаления осадка и всей работы сооружения в целом (а.с. № 179533 и а.с. №1708387). Дальнейшим развитием этих конструкций является сгуститель, включающий корпус с патрубками для ввода исходной суспензии и отвода осветленной жидкости и осадка, соединенные с корпусом посредством запорного устройства, камеру, имеющие герметичные кольцевые полости; устройство для подачи рабочего агента, повышающее эффективность разрыхления осадка и сокращающее время его выгрузки. Стенки, образующие кольцевые полости, в нижней части выполнены жестким, а в верхней - эластичным материалом. Плунжер в виде цилиндра снабжен трубами подачи рабочего агента, при этом коллектор выполнен с отверстиями, расстояние между которыми соответствует расстоянию между трубами рабочего агента (патент № 1771 798).
Для доочистки сточных вод ЗИФ и сбрасываемых из хвосто-хранилищ в водоемы используются зернистые фильтры. Главным критерием при создании фильтра является повышенная грязеем-кость, компактность, удобство обслуживания и эффективность регенерации [9]. Для использования всего объема фильтрующей загрузки при задержании загрязнений, находящихся в исходной жидкости, применяются двухслойные и многослойные фильтры, фильтрующие в направлении убывающей крупности зерен и с переменной скоростью фильтрования по толщине фильтра.
Нами предлагаются новые конструкции фильтров, которые обладают большой грязеемкостью и могут использоваться для доочистки сточных вод. Это двухступенчатый двухпоточный фильтр (патент №1789245) и радиальный двухслойный фильтр (патент № 1722529), которые наиболее предпочтительны при больших расходах обрабатываемых стоков на горно-обогатительных комплексах.
1. Белоусов А.И. Оборотное водоснабжение на обогатительных фабриках. -М.: Недра, 1983. - 163с.
2. Калинников В.Т. Макаров Д.В., Васильева Т.Н. Физико-химические процессы в сульфидсодержащих горнопромышленных отходах. - Апатиты: Изд.-во КНЦ РАН, 2002. - 163с.
3. Майстроненко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Экологический мониторинг супертоксикантов. - М.: Химия, 1996. - 320с.
4. Макаров Д.В. Закономерности процессов окисления сульфидных минералов при хранении горнопромышленных отходов. //Инженерная геология. - 2005. -№ 2. - С. 13-26.
5. Махинов А.Н., Махинова А.Ф., Шевцов М.Н. //Горный информационноаналитический бюллетень. Региональное приложение: Дальний Восток. - 2005. -С. 514-522.
6. Махинов А.Н., Махинова А.Ф., Шевцов М.Н. Влияние горнообогатительных предприятий Хабаровского края на окружающую среду //Горный журнал. -2006. - № 4. - С. 83-86.
7. Трубецкой К.Н. Современное состояние минерально-сырьевой базы и горнодобывающей промышленности России //Горный журнал. - 1995. - № 1. - С. 3-8.
8. Состояние водных ресурсов и их преобразование при разработке месторождений золота в южных районах Дальнего Востока / Шевцов М.Н., Махинов А.Н., Караванов К.П., Лопатюк В.А., Дудник В.А. //Материалы научнопрактического семинара «Добыча золота. Проблемы и перспективы». Т.2. - Хабаровск, 1997. - С. 251-257.
9. Охрана и рациональное использование водных ресурсов на золотодобывающих предприятиях Приохотья /Шевцов М.Н., Махинов А.Н., Махинова А.Ф., Лопатюк В.А., Дудник В.А. //Экология, безопасность жизнедеятельности, охрана труда и устойчивое развитие Дальневосточных территорий: Сб. докладов. - Владивосток, 1999. - С. 90-92.
10. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. - М.: Просвещение, 1995. -240 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------
Махинов А. Н. - доктор географических наук, заместитель директора, Институт водных и экологических проблем ДВО РАН,
Махинова А. Ф. - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем ДВО РАН,
Шевцов М. Н. - доктор технических наук, заведующий кафедрой, Тихоокеанский государственный университет.
