Научная статья на тему 'ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТОВ'

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТОВ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

CC BY
669
130
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫЙ КОМБИНАТ / ШАХТНЫЕ И ПОДОТВАЛЬНЫЕ СТОЧНЫЕ ВОДЫ / ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД / WASTE WATER TREATMENT / НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ И ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ОСАДКА / DEPOSITION NEUTRALIZATION AND DEHYDRATION / ORE-MINING AND PROCESSING PLANT / PIT AND UNDERSPOIL WATERS

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Вараева Елена Александровна, Аксенов Валентин Иванович

Представлена технология очистки сточных вод предприятий горнопромышленного комплекса. В основе предлагаемого решения лежит раздельная обработка различных по составу стоков с использованием повышенных доз подщелачивающего реагента. Применение данной технологии позволяет улучшить качество воды, сбрасываемой в водоемы, до ПДК, снизить вредное воздействие сточных вод комбинатов на водные объекты.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Вараева Елена Александровна, Аксенов Валентин Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A TECHNIQUE OF THE ORE-MINING AND PROCESSING PLANT WASTE WATER TREATMENT

A technique for mining/processing plants waste waters treatment has been presented. The proposed solution is based on separate processing of wastes different by the composition with the use of increased quantities of an alkalizating agent. This technique use will enable to improve the quality of water discharged in water bodies up to MPC and to decrease the waste waters adverse impact upon water bodies.

Текст научной работы на тему «ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТОВ»

УДК 628.316.12

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТОВ

© 2015 г. Е.А. Вараева, В.И. Аксенов

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», г. Екатеринбург

Ключевые слова: горно-обогатительный комбинат, шахтные и подотвальные сточные воды, очистка сточных вод, нейтрализация и обезвоживание осадка.

Представлена технология очистки сточных вод предприятий горнопромышленного комплекса. В основе предлагаемого решения лежит раздельная обработка различных по составу стоков с использованием повышенных доз подщелачивающего реагента. Применение дан-Е.А. Вараева В-И- Аксен°в Ной технологии позволяет

улучшить качество воды, сбрасываемой в водоемы, до ПДК, снизить вредное воздействие сточных вод комбинатов на водные объекты.

Переработка сточных вод горно-обогатительных комбинатов (ГОК) -проблема, актуальная во всем мире. Практически всегда стоки ГОК -шахтно-рудничные, подотвальные, технологические (дебалансные) -имеют сложный, чаще всего агрессивный, состав: ионы тяжелых металлов; кислоты; остатки реагентов, используемых при обогащении руд [1].

Существующая традиционная технология обработки стоков комбинатов основана на реакции нейтрализации свободной серной кислоты, определяющей низкие значения рН очищаемых вод, с последующим образованием гидроксидов тяжелых металлов и сульфата кальция (в виде гипса). При этом на станцию нейтрализации поступает смесь всех образующихся стоков -шахтных, подотвальных, дебалансных. Основной реагент - 5 % раствор известкового молока. Эффективность очистки по основным загрязняющим веществам приведена в табл. 1.

Анализ результатов работы станции показал, что технология обеспечивает эффективную очистку от тяжелых металлов и частичную от сульфатов.

Водное хозяйство России № 1, 2015

Водное хозяйство России

Таблица 1. Состав воды на входе и на выходе станции нейтрализации - среднемноголетние данные ОАО «Учалинский ГОК»

Наименование ингредиента Концентрация, мг/дм3 ПДКкб, мг/дм3 [2]

вход выход

Водородный показатель среды, ед. рН 4,0+0,3 8,8+0,5 6,5-8,5

Взвешенные вещества 2878+5 56,4+5,0 фон + 0,25

Сульфаты 5261+782 3089+463 500,0

Железо общ. 71,1+4,3 0,21+0,02 0,3

Медь 35,9+3,6 0,024+0,005 1,0

Цинк 267+43 0,090+0,016 1,0

Сухой остаток 2848+142 5206+260 не норм.

Однако на выходе отмечаются существенные превышения ПДК водоемов культурно-бытового назначения (ПДКкб) по содержанию сульфатов - в 6 и более раз. Кроме того, сам процесс очистки протекает с частыми остановками. Этому способствуют следующие недостатки технологии:

- смесь шахтных и подотвальных вод, подаваемая на очистку, характеризуется нестабильностью состава;

- при введении нейтрализующего агента (известкового молока) в смесь шахтных и подотвальных вод не достигается достаточная степень усреднения потоков;

- выпадение большого количества гипса, обусловленное, в частности, перерасходом известкового молока, существенно ухудшает работу станции нейтрализации за счет «зарастания» технологического оборудования и «проскока» взвешенных веществ на выходе станции нейтрализации.

В работе предложена технология очистки сточных вод комбинатов, позволяющая снизить концентрацию загрязняющих веществ, главным образом, сульфатов, до допустимых для сброса в водоем показателей, оптимизировать работу очистных сооружений.

Исследования по разработке технологии обработки шахтных и подот-вальных сточных вод, позволяющей провести их очистку до концентраций, удовлетворяющих условиям сброса сточных вод в водоемы питьевого и культурно-бытового назначения, проводили на сточных водах различных горно-обогатительных комбинатов: ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» (Учалинский ГОК, г. Учалы, Республика Башкортостан); Монголо-российское КОО «Предприятие Эрдэнэт»; Сибайский филиал ОАО «Учалинский ГОК».

Значительную часть исследований по разработке технологии очистки сточных вод комбинатов до ПДК проводили на наиболее сложных по составу сточных водах ОАО «Учалинский ГОК». Рассматриваемые сточные воды

Водное хозяйство России № 1, 2015

Водное хозяйство России

являются типовыми для стоков данной отрасли промышленности, характеризуются сульфатной агрессивностью и кислой реакцией среды. Данные анализа проб сточных вод Учалинского ГОКа за 2010 г. приведены в табл. 2.

Как следует из табл. 1, содержание примесей изменяется в широких пределах в зависимости от типа стоков: например, концентрация сульфатов изменяется от сотен до тысяч мг/дм3.

В основе предлагаемой нами технологии лежит раздельная обработка шахтных и подотвальных сточных вод, что определяет новизну исследования. Работа по выбору методов обработки велась на натурных пробах четырех видов сточных вод Учалинского ГОКа: подотвальных; шахтных с горизонтов 460 и 144 м; дебалансных вод.

Раздельная обработка шахтных и подотвальных стоков обоснована различной минерализацией, изменяющейся в широких пределах, как видно из табл. 2. Смешивание проводят на одном из последних этапов обработки. При этом очищенные шахтные сточные воды также используют для разбавления при смешивании стоков, что позволяет улучшить их показатели при сбросе в водоемы.

Таблица 2. Результаты анализа сточных вод ОАО «Учалинский ГОК»

Наименование ингредиента Место отбора проб

Технологический пруд Подотвальная вода Шахтная вода Хвосто-хранилище ПДКкб [2]

Медь, мг/дм3 0,8 30,1 0,85 0,05 1,0

Цинк, мг/дм3 12,4 297,0 252,8 0,22 1,0

Водородный показатель среды, ед. рН Взвешенные вещества, мг/дм3 Общая жесткость, °Ж 5,9 41,4 43,6 2,65 83,3 68,9 5,15 250,1 59,4 11,35 48,6 54,5 6,5-8,5 фон + 0,25

Кальций, мг/дм3 725,4 713,4 809,6 1060,1 -

Магний, мг/дм3 90,0 404,9 231,0 13,4 50

Сульфаты, мг/дм3 2099,9 5362,3 2839,2 2132,9 500,0

Хлориды, мг/дм3 72,2 70,5 68,8 79,1 350,0

Железо общее, мг/дм3 5,54 196,1 33,4 0,3 0,3

Алюминий, мг/дм3 - - 0,86 - 0,2

Свинец, мг/дм3 0,01 0,03 0,0 0,52 0,01

Водное хозяйство России

Характерной особенностью дебалансных вод является большое содержание органических загрязняющих веществ, добавленных в процессе обогащения, таких как: сернистый натрий, дизельное топливо, пенообразователь метилизобутилкарбинол, собиратели и др. [3]. В лаборатории опробованы методы прямого окисления органических веществ озоном и 10 % перекисью водорода на сточных водах Учалинского ГОК, КОО «Предприятие Эрдэнэт» и Сибайского филиала ОАО «Учалинский ГОК». Оба метода не дали видимого эффекта. Поэтому дебалансные воды хвостохрани-лищ рекомендуется предварительно обрабатывать на биохимических очистных сооружениях. После окисления органических соединений дебалансные воды имеют состав, близкий к характеристикам шахтных, и могут обрабатываться совместно с шахтными водами по основной технологии.

Наиболее сложной задачей при разработке общей технологии является удаление сульфатов. В настоящее время существуют различные методы выделения сульфатов из сточных вод [3, 4], например, реагентные методы с применением соединений бария или содержащих алюминий реагентов, мембранное разделение, биохимические технологии с использованием штамма сульфатредуцирующих бактерий [5], ионный обмен, термодистилляция и др. Однако эти методы весьма затратны. Кроме того, извлечение сульфат-ионов с применением реагентных и биохимических методов осложняется широким диапазоном варьирования их концентраций в течение года, а также большим расходом стоков.

Сточные воды ГОК ( шахтные и подотвальные) имеют кислую реакцию среды и подлежат нейтрализации. В представленной технологии для этого предлагается использовать добавку известкового молока с содержанием полезного продукта 5 %. Основным методом выделения сульфатов в исследовании принято перещелачивание сточных вод ( до рН = 11) с целью связывания максимального количества сульфатов в стабильную (нерастворимую) форму. Кроме того, при доведении рН стоков до 11 растворимость гидроксидов тяжелых металлов снижается и происходит их выделение из сточных вод.

Перещелачивание является первым этапом обработки сточных вод ГОКа по предлагаемой технологии. Обычно гипс в водных растворах находится в метастабильном состоянии, соединения сульфатов хорошо растворимы. Введение в обрабатываемую воду дополнительного гидроксида кальция ускоряет процесс образования гипса и его выпадение из раствора, следовательно, снижает содержание сульфатов в стоках. При концентрации гипса более 2,0 г/дм3 происходит его переход в стабильную нерастворимую форму, исходя из этого максимальная концентрация сульфатов обрабатываемого стока не должна превышать 1,13 г/дм3. Таким образом, целью проведения перещелачивания является достижение концентрации сульфатов в сточных

Водное хозяйство России № 1, 2015

Водное хозяйство России

водах не более 1,13 г/дм3, а также выделение тяжелых металлов в виде гид-роксидов. Выдержку стоков при перещелачивании (исследованиями установлено время 30 мин) рекомендуется проводить в прудах-накопителях с использованием техногенных или естественных площадок предприятия.

Для интенсификации процесса образования нерастворимого гипса в обрабатываемую воду вводят затравку из оборотного осадка влажностью 92 %, получаемого при отстаивании. Введение затравки в шахтные сточные воды с горизонта 460 м с содержанием сульфатов менее 1,13 г/дм3 не требуется. Исследования, проведенные на сточных водах различных ГОК в лабораторных условиях, показали эффективность данного процесса.

Результаты экспериментов по введению затравки из оборотного осадка:

- в подотвальную сточную воду (рН = 11) при дозах оборотного осадка 1,0; 2,0; 4,0; 8,0; 20,0; 24,0 мл/дм3 содержание сульфатов составило 1800; 1700; 1650; 1550; 1220; 1110 мг/дм3 соответственно. При введении в обрабатываемую воду оборотного осадка с дозой 8 мл/дм3 стока наблюдается наиболее быстрое выпадение и образование более плотного осадка. Однако оптимальной дозой оборотного осадка, при которой достигается требуемое значение содержания сульфатов, является 24,0 мл/дм3. В связи с этим для обработки подотвальных сточных вод принимается доза оборотного осадка от 8 до 24,0 мл/дм3 в зависимости от содержания сульфатов в исходной воде;

- в шахтную сточную воду с горизонта 144 м (рН = 11) при дозах оборотного осадка 1,0; 2,0; 4,0; 8,0 мл/дм3 содержание сульфатов составило 1400; 1320; 1250; 1120 мг/дм3 соответственно. Оптимальная доза оборотного осадка - 8,0 мл/дм3;

- в смесь шахтных и дебалансных сточных вод (рН = 11) при дозах оборотного осадка 1,0; 2,0; 4,0; 8,0 мл/дм3 содержание сульфатов составило 1200; 1180; 1120; 1100 мг/дм3 соответственно. Оптимальная доза оборотного осадка - 4,0 мл/дм3.

В связи с тем, что содержание примесей в шахтных водах изменяется в широких пределах в зависимости от времени года, доза возвратного осадка должна корректироваться в зависимости от концентрации сульфатов в сточных водах.

Определено, что оптимальным временем отстаивания стоков для перехода всех форм сульфатов в стабильную форму гипса является 30 мин. Кон -диционирование получаемого осадка производится путем добавки фло-кулянта. Применялись рабочие растворы флокулянтов с концентрацией 0,1 %. Исследованы реагенты различных типов, к применению рекомендованы флокулянты анионного типа: Ргае81ю1 2540, Шораш ЛК905 Аквапол.

При перещелачивании в сточные воды вводится избыточное количество кальция, что приводит к значительному повышению жесткости воды.

Водное хозяйство России № 1, 2015

Водное хозяйство России

Концентрация кальция должна быть снижена до допустимых значений перед сбросом в окружающую среду. Для этого технология предусматривает рекарбонизацию смеси стоков, на данном этапе подотвальные, шахтные и дебалансные воды смешиваются. Рекарбонизация производится путем продувки стоков углекислым газом с интенсивностью 2 м3 СО2 на 1 м3 стока в час. В ходе рекарбонизации в сточных водах образуется карбонат кальция, который выпадает в осадок. На рис. 1 приведена зависимость рН стоков от времени барботажа углекислым газом.

Из полученных результатов следует, что оптимальная продолжительность процесса рекарбонизации составляет 5 мин. После рекарбонизации рН стоков достигает 8,5; жесткость снижается до 2,5 мг-экв/дм3. Содержание тяжелых металлов, взвешенных веществ в очищенных стоках соответствует ПДК водоемов культурно-бытового назначения. Исключение составляют примеси (сульфаты, кальций), которые не являются токсичными для окружающей среды.

Для дальнейшего снижения содержания примесей в сточных водах, главным образом сульфатов, данной технологией предусмотрена их обработка на биоплато, заселенных высшими водными растениями (тростник обыкновенный, рогоз узколистный, осока дернистая). Известно [6], что на биоплато возможно снижение концентрации сульфатов до 0,5 г/дм3, что соответствует ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения. Для организации биоплато можно использовать природные и природно-техногенные ландшафты.

Водное хозяйство России № 1, 2015

Водное хозяйство России

Оборотный осадок

Рис. 2. Принципиальная технологическая схема станции очистки сточных вод ГОК: 1 - узел нейтрализации; 2 - узел перемешивания; 3 - узел осадкообразования; 4 - узел рекарбонизации; 5 - отстойник (пруд-накопитель); 6 - биоплато с высшими водными растениями; 7 - узел механического обезвоживания осадка; 8 - узел приготовления и дозирования подщелачивающего реагента (СаО); 9 - узел усреднения и дозирования оборотного осадка; 10 - узел приготовления и дозирования флокулянта; 11 - узел подготовки и дозирования углекислого газа СО2; 12 - усреднитель сточных вод;

13 - хвостохранилище; 14 - биохимические сооружения.

При необходимости получения воды высокого качества для ее последующего использования на предприятии предлагается использование мембранных и термических методов очистки сточных вод. В ходе исследования опробована нанофильтрация на мембранах типа ЭРМ при рабочем давлении 6 атм. Время эксперимента 6 мин. Общее солесодержание в фильтрате составило 245 мг/дм3 при рН = 6,8; в пермеате - 1810 мг/дм3 при рН = 5,4.

Принципиальная технологическая схема приведена на рис. 2. Результаты обработки сточных вод ГОК по предложенной технологии - в табл. 3.

Таким образом, очищенная по предлагаемой технологии вода удовлетворяет ПДКкб по основным компонентам.

В ходе очистки сточных вод от сульфатов выделяются гипсовые осадки, которые состоят из гипса (91 %) и примесей (9 %). Полученный осадок хорошо фильтруется. После обезвоживания гипсовый осадок можно использовать в качестве добавки при получении строительного гипса. Свойства осадков, получаемых при очистке сточных вод ГОК, исследованы на лабораторных моделях вакуум-фильтра и фильтр-пресса. Исследования продемонстрировали высокую производительность фильтр-пресса, получения осадка меньшей влажности [7].

Водное хозяйство России

Таблица 3. Результаты обработки сточных вод ОАО «Учалинский ГОК»

Наименование ингредиента

Подот-вальная

вода (исходная)

Смесь шахтных и дебалан-сных вод (исходная)

Подот-вальная вода после отстаивания

Смесь шахтных и де-балансных вод после отстаивания

Смесь сточных вод после рекарбонизации

Очищенная вода

после биоплато*

ПДКкб [2]

Медь, мг/дм3 Цинк, мг/дм3

Водородный показатель среды, ед. рН Взвешенные вещества, мг/дм3 Общая

жесткость, °Ж

Кальций, мг/дм3

Магний, мг/дм3

Сульфаты, мг/дм

Хлориды, мг/дм3

Железо общ., мг/дм3

30,1 297,0

2,65 83,3

713,4 404,9 5362,3 70,5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

196,1

0,85 253,0

5,6

230,2

59,4

820,4 235,0 2845,0 72,2

33,6

0,05 0,05

11,0

10-15

93,0

1814,0 30-35 1120 70,5

0,3

0,05 0,05

11,0

10-15

102,5

2012,0 25-35 1110 61,0

0,3

0,05 0,05

5-10

4,8

64,0 20-25 1120 58,0

0,2

0,001 0,01

8,0 5

4,0

50,0 20,0 500,0 50,0

0,1

1,0 1,0

6,5-8,5

фон + 0,25

50 500,0 350,0

0,3

Примечание: * - состав воды после очистки на биоплато прогнозируемый.

Выводы

На основе экспериментальных исследований предложена технология очистки сточных вод горно-обогатительных комбинатов, имеющих сульфатную агрессивность. В основе технологии лежит раздельная обработка шахтных, дебалансных и подотвальных стоков ввиду их различного минерального состава. В качестве метода выделения примесей принято добавление известкового молока до рН = 11. Улучшение качества обрабатываемых стоков предусмотрено путем рекарбонизации смеси.

Доочистку обрабатываемой воды предложено проводить на биоплато, заселенных высшими водными растениями. Качество очищенных стоков соответствует требованиям к сбросам в водоемы культурно-бытового назначения. При необходимости получения воды высокого качества могут быть применены методы мембранного разделения или термодистилляция.

В ходе обработки стоков по данной схеме выделяются осадки двух видов: гипсовый и карбонат кальция, которые можно использовать при производстве строительных материалов.

Недостатком предлагаемой технологии является потребность в больших производственных площадях для устройства биоплато, прудов-накопителей для проведения реакции нейтрализации, прудов-накопителей для отстаива-

Водное хозяйство России № 1, 2015

Водное хозяйство России

ния стоков после рекарбонизации. При этом сточные воды удается очистить от примесей до ПДК водоемов культурно-бытового назначения без применения дорогостоящих технологий, реагентов высокого класса опасности, методов с образованием токсичных шламов.

Исследования по очистке сточных вод горно-обогатительных комбинатов с применением раздельной обработки разных типов стоков, перещела-чивания до рН = 11, последующей рекарбонизации путем продувки углекислым газом проведены впервые.

Применение данной технологии позволяет улучшить качество сбрасываемой в водоемы воды до ПДК, снизить вредное воздействие сточных вод комбинатов на водные объекты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Селицкий Г.А., Уласовец Е.А., Ермаков Д.В. Технологии очистки сточных вод горнорудных предприятий // Инновационные технологии в системах производственного водоснабжения. Сб. статей. Екатеринбург. 2013. С. 32-48.

2. СанПиН 2.1.5.980-00 «Санитарные правила и нормы. Гигиенические требования к охране поверхностных вод».

3. АбрамовА.А., Леонов С.Б. Обогащение руд цветных металлов. М.: Недра, 1991. 407 с.

4. Селицкий Г.А., Ермаков Д.В. Очистка природных сточных вод от сульфатов // Инновационные технологии в системах производственного водоснабжения. Сб. статей. Екатеринбург. 2013. С. 82-93.

5. Баглай Е.Б., Баглай С.В., Риянова Э.А. Опыт промышленного сравнения методов очистки сточных вод от сульфат-ионов // Чистая вода России-2011. Междунар. науч.-практ. симпозиум и выставка, 18-20 мая 2011 г., сб. материалов. Екатеринбург. С. 218-221.

6. Франк Ю.А. Биохимический потенциал сульфатредуцирующих бактерий // Экология и промышленность. 2006. № 1. С. 75-76.

7. Вдовина И.В. Снижение антропогенной нагрузки на малые реки в зоне влияния горнорудного промышленного предприятия (на примере Республики Башкортостан): автореф. дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2009. 24 с.

8. Аксенов В.И., Бондаренко Е.А., Валенцева Т.А. Обезвоживание осадков станции нейтрализации Учалинского ГОКа // Вода: проблемы и решения. Сб. докл. Всерос. науч.-практ. конф. Вып. 8. Тюмень: РИО ВПО ТюмГАСУ, 2011. 83 с.

Сведения об авторах:

Вараева Елена Александровна, аспирант, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19; e-mail: bblka6jiy4a@bk.ru

Аксенов Валентин Иванович, канд. техн. наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Строительный институт, кафедра водного хозяйства и технологии воды, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19; e-mail: nii.7@mail.ru

Водное хозяйство России

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.