Управление качеством сточных вод и выщелачивающих растворов при химической рекультивации отвалов руд и пород цветной металлургии Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

\

< )

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой пищевой инженерии

Уральский государственный экономический университет

620144, РФ, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта/Народной Воли, 62/45 Контактный телефон: (912) 617-43-58 e-mail: thkm@mail.ru

РЫБАКОВ Юрий Сергеевич

Управление качеством сточных вод и выщелачивающих растворов при химической рекультивации отвалов руд и пород цветной металлургии

Ключевые слова: техногенная провинция; отвалы забалансовых руд и пород; химическая рекультивация; кучное выщелачивание; управление качеством сточных вод.

Предложена математическая модель формирования стока с отвалов руд и пород цветной металлургии, используя которую можно управлять подотвальным стоком при их химической рекультивации. В расчетах учтены пространственные закономерности изменения гранулометрического, минерального и химического состава руд и пород, гидрологические условия, а также данные обработки результатов лабораторных исследований. Получены математические выражения, с помощью которых можно определять качество стока при различных режимах процесса и на основании этих данных избирать технологию химической рекультивации.

В процессе отработки месторождений цветных металлов открытым способом в отвалах скапливаются значительные запасы забалансовых руд и минерализованных пород, содержащие большое количество цветных металлов и железа. Эти руды и породы, как правило, складируются в отвалы вдалеке от жилой зоны и мест переработки и обогащения балансовых руд. Так возникает техногенная провинция рудников. Подобная широкомасштабная хозяйственная деятельность сопровождается неблагоприятными изменениями в окружающей природной среде: в условиях существенного роста антропогенных нагрузок изменяется характер подстилающей поверхности и происходит перестройка природных ландшафтов. Возникает рудный техногенез, формирующий ореол рассеяния загрязняющих веществ в районах складирования отвалов, который оказывает все большее влияние на качество почв, воды в водных объектах и пищевые продукты 1-5 . В соответствии с проведенными исследованиями 1; 3-7] сток, формирующийся на отвалах цветной металлургии, загрязняется металлами, сульфат- и хлор-ионами, другими компонентами, содержание которых значительно превышает ПДК.

Наиболее важная задача управления качеством вод - это проведение мероприятий, которые препятствуют загрязнению окружающей среды. Инструментом управления может стать прогнозирование качественных и количественных характеристик стока т с таких образований, с помощью которого можно выбрать экономически оптимальный ^ способ защиты гидросферы и почв от загрязнения цветными металлами. При этом ка-о чество стока должно прогнозироваться как для условий естественного выщелачивания 2 металлов-загрязнителей из рудной минерализации отвалов за счет осадков, так и для | их искусственного выщелачивания за счет специально подготовленных растворов.

Одним из методов борьбы с загрязнением стока, сформированным на отвалах гор-

Он

© ных пород, является их рекультивация. В то же время из-за наличия значительного

количества легкорастворимых загрязнителей эти образования не отвечают требованиям ГОСТ 17.5.1.03-86 для биологической рекультивации [8]. Если снизить содержание в них легкорастворимых соединений, то последующая биологическая рекультивация практически исключит угрозу загрязнения водных объектов и почв. Для большинства техногенных образований необходимы три рекультивации: горнотехническая, химическая и биологическая. На первое место выдвигается химическая рекультивация, которую можно осуществить с использованием приемов и методов кучного выщелачивания, что позволит не только защитить водные объекты от загрязненного стока с отвалов, но и извлечь из них цветные металлы в товарную продукцию и подготовить отвал к биологической рекультивации [1; 3-7].

Попытки прогнозирования качества стока [9-11] не дали положительных результатов из-за слабой изученности достаточно сложной системы техногенных образований. Все они основывались на том, что, зная особенности выщелачивания отдельных минералов, можно предсказать химический состав растворов, которые вытекают из-под отвала. Однако такой информации для прогнозирования в тот момент было недостаточно. Поэтому нами были проведены исследования по выщелачиванию руд и пород в лабораторных и полупромышленных условиях, а также осуществлена классификация техногенных образований по минералогическим характеристикам, скоростям выщелачивания загрязняющих элементов и по степени опасности для окружающей среды 2; 3; 12].

На основании результатов исследований, изложенных в работах [3; 6; 10; 12], разработана методика оценки качества стока, сформированного на отвалах руд и пород цветной металлургии. Основой методики является математическая модель процессов выщелачивания металлов-загрязнителей из руд и пород.

Принципиальная схема оценки качества стока приведена на рисунке.

Первый этап оценки качества стока - сбор данных об отвале: минеральный состав складированных обломков; фазовый состав руд и пород, складированных в отвал; гранулометрический состав складированных обломков; морфометрические характеристики отвала; объем и масса отвала; гидрологические условия площадки складирования. Эти данные могут быть получены из следующих источников: паспорт отвала; материалы разведочных работ, проводимых на различных этапах оценки запасов отрабатываемых горизонтов рудного тела; данные опробования отгружаемой из забоя горной массы; показатели потерь и разубоживания добываемой руды с учетом особенностей геологического строения месторождения; результаты научно-исследовательских работ, проводимых на месторождении в ходе его отработки; данные геолого-маркшейдерского учета движения запасов, установленных разведочными работами, при отработке месторождения; отчет по оценке воздействия отвала на окружающую среду; другая имеющаяся документация по разработке и использованию месторождения; гидрологические справочники по территории месторождения.

Если в указанных документах всех требуемых данных нет, то следует провести опробование отвала.

По фазовому составу соединений металлов и минеральному составу складированных руд и пород можно определить их тип путем сравнения данных об отвале с данными табл. 1 [1; 7; 12].

Следующим этапом в оценке качества стока является сравнение данных о содержании минералов и формах нахождения элементов в исследуемом отвале с соответствующими показателями классификации руд и пород, приведенной в табл. 1 и работах [1; 4; 7; 12].

Критерий, по которому выбирается соответствие приведенной выше классификации, выражается формулой

п дс

у-«"в. < 0,15. (1)

1 п

3-4 (47-48) 2013

Известия УрГЭУ < 137

При этом

Асотв = |с0 - сотв|, (2)

где С - содержание оксидных соединений металла-загрязнителя в минералах, пород основного состава и глинистых пород, вошедших в классификацию табл. 1 и работ [1; 3; 4; 7; 12 , %; С - содержание указанных соединений в исследуемом отвале, %; п -количество соединений, подлежащих сравнению.

Схема оценки качества стока с техногенных образований

Для отвалов, соответствующих приведенной в табл. 1 классификации, следующим этапом является расчет извлечения металлов-загрязнителей из руды по формулам табл. 2.

Руды и породы, не соответствующие классификации табл. 1, должны быть направлены на лабораторные исследования выщелачивания из них металлов-загрязнителей по методике, изложенной в работе 6]. Полученные результаты обрабатываются для получения уравнения регрессии следующего вида:

Е = В0 + В1С + В2р + В3т, (3)

где Е. - извлечение металла-загрязнителя за одно орошение, %/сут.; В0, В1, В2, В3 - коэффициенты уравнения регрессии; С - концентрация реагента, г/дм3 (г/л); р - плотность орошения, дм3/т (л/т); т - пауза между орошениями, сут.

При химической рекультивации параметры процесса выщелачивания (концентрация выщелачивающего реагента, плотность орошения и пауза между орошениями) задаются исходя из технологии проведения процесса. При определении качества стока, сформированного в естественных условиях, концентрация выщелачивающего реагента

Таблица 1

Классификация отвальных руд и пород цветной металлургии для оценки качества подотвального стока

Типы руд в отвале Основные минералы главных металлов-загрязнителей Вмещающие породы Содержание оксидов главных металлов-загряз-нителей в минералах, % Содержание в рудах, %

пород основного состава (щелочные и карбонатные) глинистых пород

Медные и медно-цинко-вые, залегающие в кислых породах Малахит, брошантит, азурит, халькозин, ковеллин, борнит, цинкит, гослерит, сфалерит Кислые и средние изверженные породы, вторичные кварциты, песчаники 20-60 1-5 1-5

Медные и медно-цинковые, залегающие в основных и карбонатных породах Малахит, псевдомалахит, гётит, магнетит, сфалерит, смитсонит Габбро, средние и основные эффу-зивы 5-35 7-10 5-10

Медные, залегающие в глинистых породах Малахит, хризоколла, лимонит, гётит, ковеллин, тенорит Измененные сиенито-диориты, моноциты, средние и основные эффузивы 20-35 2-5 5-20

Медно-цинковые метакол-лоидные Халькопирит и сфалерит с высокой дефектностью кристаллической структуры Кислые эффузивы (порфиры, кератофиры, альбитофиры) 15 5-7 1-5

Свинцово-цинковые, залегающие в породах кислого состава Смитсонит, церуссит, пирит, сфалерит, галенит, в меньшей степени халькопирит, блеклая руда, свинцовые охры, ковеллин, малахит, госларит и халькантит Кварцево-серицитовые сланцы, кварцевые кератофиры, алевропели-ты, туфы и лавы кислого и среднего состава, микроклин-плагиоклазовые граниты, альбитофиры, граниты 20-60 5-15 5-10

Свинцово-цинковые, залегающие в породах основного состава Пирит, сфалерит, галенит, халькопирит, ковеллин, смитсонит, церуссит, ангизит Кварц, калиевый полевой шпат, серицит, карбонат, биотит измененный, гидроксиды железа, ярозит 20-30 7-15 5-8

Окисленные молибденовые и медно-молибденовые Повелит, ферримолибдит, вульфенит, малахит, азурит Серицитизированные, слабокали-низированные, хлоритизированные, ожелезненные, биотитовые граниты, гранодиориты 18-25 3-10 5-13

Сульфидные с высокой и средней дефектностью кристаллической структуры Молибденит, халькопирит, в меньшей степени ферримолибдит, марказит, борнит, малахит, повеллит Биотитовые граниты, мелкозернистые граниты, гранодиориты, липариты, кварцсерицитовые метасоматиты, кварц, полевой шпат, биотит 5-12 4-8 5-8

принимается равной нулю. Расчет качества стока рекомендуется проводить отдельно для периодов весеннего, летнего и осеннего паводков, так как в это время выпадает наибольшее количество осадков. Пауза между орошениями т равняется средней паузе между дождями в течение паводка и рассчитывается по формуле

+ъ „

т =-1-, (4)

п

где I - время периода интенсивных дождей; £ - величина средней продолжительности дождя за время п. - количество дождей за время I - номер периода интенсивных дождей.

Таблица 2

Уравнения регрессии и границы их применимости для расчета извлечения металлов-загрязнителей из руды

Тип руд и пород в отвале Выщелачивающий реагент Выщелачиваемый металл Уравнения Границы применения уравнения

Медные и медно-цин- Си Е.Си = 1,29С + 0,14р + С = 0-12 г/л

ковые, залегающие 1,35т2 - 16,4т + 45,5 р = 20-100 л/т

в кислых породах гп Бап = 0,78С + 0,16р + о',бпбт2 - 8,8т + 28,3 т = 1-5 сут.

Медные и медно-цин- Си Е. = 5,7С + 0,3р + С = 0-10 г/л

ковые, залегающие гп 1,1т2 - 15,7т + 31,8 р = 10-120 л/т

в основных и карбо- т = 1-5 сут.

натных породах

Медные, залегающие Си Е. = 4,31С + 0,1р + С = 0-10 г/л

в глинистых породах 1,35т2 - 15,2т + 13,4 р = 40-150 л/т т = 1-5 сут.

Медно-цинковые Си Е. = 1,185С + 0,17р + С = 0-10 г/л

метаколлоидные гп 1,15т2 - 10,65т + 24,4 р = 10-100 л/т т = 1-5 сут.

Свинцово-цинковые, Си Е. = 0,04^о4 - ^О4 = 0-10 г/л

залегающие в породах ЫаС1 гп 0,01 С^аС + 0,07р - р = 10-100 л/т

кислого состава РЬ 0,05т + 31 т = 1-5 сут. СЫаС1 = 10-100 г/л

Свинцово-цинковые, Си Е .г = 0,048С + ¡¿п ' Ы2ьО4 ^О4 = 0-10 г/л

залегающие в породах гп 0,087р - 0,05т + 46 р = 10-100 л/т

основного состава ЫаС1 РЬ ЕрЬ = °,027Сн2£О4 + т = 1-5 сут.

0,035СЫаС1 + 0,057р -0,03т + 21 СЫаС1 = 10-100 г/л

Окисленные молиб- Мо Е. = 0,12р - 0,45т + С = 0-20 г/л

деновые и медно-мо- Си 0,39Ск + 71 р = 30-70 л/т

либденовые т = 1-5 сут.

Сульфидные с высо- №ОЫ Мо Е. = 0,14р - 0,1т + СЫаОЫ = 0-7 г/л

кой и средней дефект- ЫаС1 0,2С + 0,02С ЫаОН ЫаС1 СЫаС1 = 7-12 г/л

ностью кристалличес- ЫаС1О + 22 р = 50-300 л/т

кой структуры т = 1-5 сут.

Примечание. Расшифровка буквенных значений в 4-м и 5-м столбцах такая же, как и в экспликации уравнения (3).

Плотность орошения р зависит от количества осадков, выпавших на отвал за интересующий период времени т. е. плотность орошения можно задать в следующем виде:

р =

М°твп ' (5)

где 5 - площадь отвала в плане, дм2; Ж - слой осадков за период времени дм; М -масса отвала, т.

Характеристики выпадения осадков следует взять из справочников по климату региона, в котором находится отвал. Масса отвала должна быть определена при сборе документов об объекте.

Через объем поступающей жидкости и массу отвала величину плотности орошения можно выразить формулой

v

М°тв (6)

где У - объем жидкости, поступающей на орошение отвала, дм3.

Рассчитав извлечение металла из руды или породы для каждого периода I интересующего промежутка времени, величину полного извлечения в лабораторных условиях можно получить по формуле

т

е=хе ,

(7)

где Е - извлечение металла за интересующий период времени, %; Е. - извлечение металла за ¿-й период, рассчитанное по приведенным в табл. 2 формулам, %; т - количество периодов в исследуемом промежутке времени.

Известно, что интенсивность выщелачивания металла в лабораторных условиях и в отвале отличается из-за различных удельной поверхности контакта, времени взаимодействия раствора и породы и других факторов, при которых происходят химические реакции перехода металла в раствор. Поэтому требуется корректировка данных, полученных по формуле (7).

В результате исследований была выведена формула для расчета извлечения металла, учитывающая изменение извлечения металла в зависимости от размеров обломков породы [11]:

тлотв /

1п /

отВ

_/ и<Р

е1 = е ■

А°Г - п отв

ппр /

1п п7о/

/п пр

/ ср

ппр _ ппр

П (8)

где Е1 - извлечение металла из породы в отвале, %/сут.; Е - извлечение металла из лабораторной пробы, рассчитанное по формуле (7), %/сут; Пс°рТВ - средний размер обломков отвала, мм; П7°ТВ - средний размер обломков отвала, соответствующий накопленной частности 70%, мм; Д!рр - средний размер обломков пробы, мм; П7п0р - средний размер обломков пробы, соответствующий накопленной частности 70%, мм.

Размеры обломков можно получить из паспортных данных отвала и результатов лабораторных исследований.

Концентрация металла-загрязнителя в стоке из-под отвала Ср определяется по формуле [11]:

с = е1моисм " v ■ 1000 ' (9)

3-4 (47-48) 2013

Известия УрГЭУ < 141

где Е1 - извлечение металла из породы в отвале за период времени 1, %/сут; Мотв - масса породы в отвале, г; См - исходное содержание извлекаемого металла в руде, %; У - объем продуктивного раствора или количество талых и дождевых вод, дм3, который рассчитывается по формуле

рМотВ

v = ■

т +1 (10) где р - плотность орошения, дм3/т; t - рассматриваемый период времени, сут; т - пауза между орошениями, сут.

Таким образом, рассчитав приблизительное содержание загрязнителя в стоке из-под отвала, можно с помощью гидродинамических расчетов выявить количество поступающего в водный объект металла-загрязнителя и на основании полученных результатов рекомендовать метод химической рекультивации, что позволит управлять качеством стока. Кроме того, появится возможность заранее определить извлечение металла при проведении химической рекультивации и на основании этого сделать выводы о рентабельности того или иного способа предотвращения загрязнения водных объектов.

Источники

1. Рыбаков Ю. С., Рыбаков А. Ю., Овсянников А. Ю. Организационно-экономический механизм и инвестиционные проекты рекультивации техногенных образований. Екатеринбург : Изд-во УрГЭУ, 2011.

2. Рыбаков Ю. С., Рыбаков А. Ю. Рудный техногенез и качество пищевых продуктов // Современное хлебопекарное производство, перспективы его развития : сб. науч. тр. Екатеринбург : Изд-во УрГЭУ, 2006.

3. Рыбаков Ю. С. Защита водных объектов от загрязнения стоком, сформированным на водосборной территории техногенных провинций // Эколого-водохозяйствен-ный вестник. 2002. Вып. 6.

4. Рыбаков Ю. С., Болтырева А. А., Халезов Б. Д. Геотехнологические методы защиты водных объектов от загрязнения отвалами забалансовых руд // Водное хозяйство: проблемы, технологии, управление. 1999. № 1.

5 Рыбаков Ю. С. Применение геотехнологических методов для защиты водных объектов от загрязнения стоком с техногенных образований // Горный информационно-аналитический бюллетень. 1999. № 2.

6 Рыбаков Ю. С., Федоров М. В., Рыбаков А. Ю. Геотехнологический метод химической рекультивации отвалов свинцово-цинковых руд // Изв. Урал. гос. экон. ун-та. 2010. № 1.

7. Рыбаков Ю. С., Федоров М. В., Рыбаков А. Ю. Технико-экономическая оценка химической рекультивации техногенных образований цветной металлургии // Изв. Урал. гос. экон. ун-та. 2007. № 1.

8 Савич А. М. К вопросу о классификации вскрышных пород для биологической рекультивации // Проблемы рекультивации в СССР. Новосибирск : Наука, 1974.

9 Вигдорчик Е. А., Шейнин А. Б. Математическое моделирование непрерывных процессов растворения. Л. : Химия, 1971.

10. Халезов Б. Д. Кинетика растворения минералов меди и цинка // Горный информационно-аналитический бюллетень. 1999. Вып. 2.

11. Рыбаков Ю. С., Яковлев С. Г. Прогнозирование качества стока при рудном техно-генезе // Мелиорация и водное хозяйство. 2001. № 3.

12. Рыбаков Ю. С. Предотвращение загрязнения вод стоками с техногенных образований цветной металлургии // Экология и безопасность жизнедеятельности : сб. науч. тр. Екатеринбург : УрГУПС, 2003.