Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Грунтовая толща как естественный геохимический барьер на пути миграции токсичных загрязнителей

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Грунтовая толща как естественный геохимический барьер на пути миграции токсичных загрязнителей"

РГС од

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

Санкт-Петербургский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени Государственный горный Институт им. Г. К Плеханова (Технический Университет)

КУЛЕШОВА Маргарита Львовна

ГРУНТОВАЯ ТОЛЩА КАК ЕСТЕСТВЕННЫЙ ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ■ БАРЬЕР НА ПУТИ МИГРАЦИИ ТОКСИЧНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

Санкт-Петербургский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени Государственный горный институт им. Г. В. Плеханова (Технический Университет)

На правах рукописи

КУЛЕШОВА Маргарита Львовна

ГРУНТОВАЯ ТОЛЩА КАК ЕСТЕСТВЕННЫЙ ГЕОХИМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР НА ПУТИ МИГРАЦИИ ТОКСИЧНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

Специальность 04. 00.07. Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук.

Работа выполнена в лаборатории охраны геологической среды геологического факультета Московского государственного университета имени МкВ.Ломоносова

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук Сергеев Валерий Иванович

Официальные оппоненты - доктор геолого-шшералогических наук,

профессор Далжо Регина Эдуардовна

- кандидат геолого-минералогических наук Алехин Юрий Викторович

Ведущее предприятие - Проектный и научно-исследовательский институт ГШААМАЗОЛОТО

Защита ДИССертаЦИИ СОСТОИТСЯ С^й^Р ^ддд г>

в /5 час. && мин. на заседании специализированного совета Д.063.15.07 при Санкт-Петербургском горном институте имени Г.В.Плеханова по адресу: 199026, Санкт-Петербург, В-26, 21 линия, дом 2, ауд. №

Автореферат разослан " ¡¿¿М^ 1993 г>

С диссертацией шнно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института клони Г.В.Плеханова.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент

А.В.Кузьмин

Актуальность тематики. В настоящее время в ряде районов остро стоит проблема загрязнения подземных вод. Особое внимание к воздействию на подземные воды объясняется тем. что в настоящее время в большинстве случаев (до ,702) они стали-единственным источником водоснабжения целых промышленно-хозяйственных регионов. Одним из основных источников такого загрязнения являются места складирования промышленных отходов. Только в горнообогатительной отрасли хвостохранилища исчисляются тысячами. Их площади изменяются от сотен квадратных метров до десятков квадратных километров. Ежесуточные объемы сбросов могут достигать ста и более тысяч кубических метров. Две трети из них, как правило, составляет жидкая фаза Достигая подземных вод, она может привести к их загрязнению, т. к. часто содержит токсичные вещества, превышающие ПДК в десятки и сотни раз.

Невозможность перехода в ближайшие десятилетия на безотходные технологии диктует необходимость поиска наиболее экономически выгодных способов защиты подземных вод от загрязнения. В этой связи оценка и использование природной поглощающей способности грунтов представляется весьма актуальной задачей. Актуальным является обоснование и разработка мероприятий по повышению эффективности работы грунтовой толщи как естественного геохимического барьера на пути миграции токсичных загрязнителей.

Цель работы.

Оценка грунтовой толщи зоны аэрации как естественного геохимического барьера на пути миграции токсичных загрязнителей и обоснование мероприятий по снижению интенсивности влияния мест складирования отходов на загрязнение подземных вод.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Определение оптимальной методики оценки поглопающей способности грунтов относительно тяжелых металлов.

2. Оценка поглощающей способности грунтов различного минерального и гранулометрического состава в отношении тяжелых металлов, характерных для отходов горно-добывающей промышленности.

3. Определение влияния фильтрационной неоднородности грунтовой толщи зоны аэрации на ее экранирующую способность.

4. Выявление роли влияния комп.лексообразования, характерного для жидкой фазы отходов горнообогатительных предприятий, на скорость разложения цианидов и интенсивность поглощения тяжелых ме-

таллов грунтами.

5. Прогноз распространения тяжелых металлов в грунтовой толще зоны аэрации основания эксплуатируемого хвостохранилища и разработка методики оценки предельного времени эксплуатации хвостохранилища.

6. Разработка принципиальной схемы оценки защищенности подземных вод в районах складирования токсичных отходов.

7. Разработка мероприятий, повышающих экранирующую способность грунтовой толщи зоны аэрации в основании хвостохр^нилиш.

Научная новизна - впервые охарактеризован широкий диапазон суглинистых разностей от супесей до тяжелых глин по предельной поглощающей способности в отношении Pb, Cu, Zn, Cd, Со, Ni, Mn, наиболее характерных и токсичных загрязнителей горнообогатительных предприятий; количественно определена роль влияния структурных особенностей грунта на его поглощающую способность; установлены факторы, снижающие экранирующую способность грунтовой толщи на пути миграции загрязнителей, к которым относятся фильтрационная неоднородность и сложный химический состав отходов, содержащих цианометаллические комплексы; разработаны мероприятия, исключающие влияние вышеперечисленных факторов; разработана методика оценки и прогноза экранирующей способности грунтовой толщи.

Реализация работы. Внедрение результатов исследования осуществлялось с 1987 по 1992 год на ряде объектов горноперерабаты-вающей промышленности. В частности, при оценке защищенности подземных вод в районе хвостохранилища Алмалыкского ГОКа (Узбекистан) впервые была выявлена роль фильтрационной неоднородности, определяемой структурными нарушениями лессовидных грунтов зоны аэрации.

Выявление роли почвенного покрова и грунтов различного состава в разложении цианометаллических комплексов позволило рекомендовать и внедрить на хвостохранилище Кочкарской ЗИФ (г. Пласт, Челябинская обл.) комплекс мероприятий по защите подземных вод от загрязнения.

Для хвостохранилища под аварийный сброс отходов кучного выщелачивания при золотоизвлечении (г. Кокчетав) разработан комплексный противофильтрационный сорбирующий экран как альтернативный вариант дорогостоящего пленочного покрытия.

Для объекта Дубрава (Словакия) разработан экран по очистке отходов сурьмоизвлекающего предприятия от токсичных веществ.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены на Всесоюзной школе-семинаре "Геохимические барьеры и охрана геологической среды" (Москва, ВДНХ, 1989), на региональном совещании "Проблемы техногенного изменения геологической среды и охрана недр в горнодобывающих регионах" (Пермь, 1991), на заседании Лаборатории охраны геологической среды геологического факультета МГУ (январь, 1992), на кафедре инженерной геологии и грунтоведения геологического факультета СПбГУ (ноябрь 1992г). Материалы использованы при составлении "Пособия по проведению оценки воздействия на окружающую среду при разработке ТЭО и проектировании в строительстве хозяйственных объектов и комплексов" (Госкомприрода СССР, 1991). По содержанию диссертационной работы опубликовано 8 научных статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов и приложения. Изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 46 рисунков, 23 таблицы, список использованной литературы из 32 наименований.

В основу диссертации положены материалы исследований, выполненных в ходе работы в Лаборатории охраны геологической среды (ЛОГС) геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова с 1986 по 1993 г.

Работа над темой осуществлялась под научным руководством доктора геолого-минералогических наук Е И. Сергеева, которому автор выражает благодарность за советы и творческую помощь.

Автор признателен Н. К. Куце вой, В. Г. Шлыкову и JL П. Терешковой за консультации и помощь при выполнении некоторых экспериментальных исследований.

Выполнение данной работы было бы не реально без активной помощи коллектива Лаборатории охраны геологической среды МГУ при полевых и лабораторных исследованиях, которому автор выражает искреннюю благодарность.

- 6 -Содержание работы.

Глава 1. • Современное состояние вопроса защиты подземных вод от загрязнения в районах складирования токсичных отходов.

С целью определения подхода к решению проблемы защиты подземных вод от загрязнения в районах складирования токсичных отходов рассмотрены результаты исследований в области инженерной геологии, грунтоведения, гидрогеологии, геохимии, почвоведения, име1 ющих отношение к вопросам охраны геологической среды.

Исходной базой послужили фундаментальные работы К. К. Гедрой-ца, Е И. Горбунова, А. П. Виноградова, Ф. Д. Овчаренко, Ю. И. Тарасеви-ча, Р. И. Злочевской, Е М. Кнатько, Ф. И. Тютюновой, Т. Абрахама, посвященные изучению физико-химической активности почв и грунтов, как основы их поглощающей способности. В них показано, что при контакте глинистых пород (почв) с растворами различного состава происходят процессы поглощения элементов-сорбатов, причем природа взаимодействия зависит как от кристаллохимии поверхности, так и от химического состава взаимодействующего с грунтом раствора.

Анализ экспериментальных исследований по оценке поглощающих свойств отдельных литологических разностей в отношении металлов (Ф. И. Тютюнова, А. Е. Орадовская, Дж. Вагнер, Т. Чур да, Я Беликов и ППенчев, С. Хуанг, М. А. Мартынова и В. В. Хаустов) позволяет констатировать, что на процесс поглощения влияет рН раствора, исходная концентрация элемента-сорбата, гранулометрический и минеральный состав породы, емкость катионного обмена.

Обзор литературных данных показал, что поглощающая способность суглинистых грунтов в отношении тяжелых металлов изучена слабо, практически нет данных о предельной поглощающей способности, о роли структурных особенностей грунта. Влияние минерального состава рассмотрено лишь в работах Дж. Вагнера и Т. Черды. Противоречивы рекомендации методического плана, касающиеся выбора соотношения грунт - раствор, а также необходимого времени контакта сорбента и сорОата в опытах с различными металлами.

Кроме тяжелых металлов, потенциальным загрязнителем подземных вод в районах складирования отходов горнодобывающей и горноперера Сатывающей промышленности являются цианиды. Поведению цианистых соединений посвящены работы К. Б. Яцимирского, Ю. Ю. Лурье и В. П. Па-

новой, Т. Чатвина, В. Витлока, Дж. Стробела, Р. Раннеберга, и др. Установлено, что 1) цианометаллические комплексы подвергаются химической деструкции в соответствии с их константами нестойкости; 2) интенсифицирует процесс разложения простых цианидов рН раствора, 02и С02воздуха. органика, микроорганизмы, освещение, температура. Вместе с тем накопленный фактический материал не позволяет дать оценку поведения цианидов при фильтрации через грунты различного вещественного состава.

В общем подходе к оценке защищенности территории от техногенного воздействия основой являются классические труды по инженерно- геологическому и типологическому районированию И. В. Попова, Е. М. Сергеева, . а Т. Трофимова, Г. А. Голодковской, Д. Г. Зилинга и др.

Среди работ по классификации и оценке участков по степени защищэнности подземных вод от загрязнения, прежде всего, следует назвать работы а М. Гольдберга, в которых отмечается необходимость учета фактора поглощения загрязнителей грунтами.

На современном этапе оценка защищенности подземных вод от загрязнения должна быть связана с расчетом миграции токсичных элементов в зоне аэрации. Базой при решении этого вопроса являются теоретические проработки по определению миграционных параметров загрязнителей, при их движении в дисперсных средах, приведенных в работах Г. Томаса, Я Бэра, Ж. Фрида, К А. Мироненко, Е М.Шгстакова, КС. Голубева, А. А. Рошаля, А. Е.Орадовской и многих др. К сожалению недостаточное количество данных о миграции тяжелых металлов в суглинистых грунтах не позволяет перейти к решению таких важных для практики вопросов, как определение предельно допустимого времени эксплуатации хвостохранилищ.

Большое количество работ посвящено созданию различного рода экранов в основании техногенных сооружений как из искусственных, так и из естественных материалов. Однако нет исследований, посвященных мобилизации поглощающей способности суглинистых грунтов, непосредственно залегающих в основании таких объектов.

Глава 2. Формы нахождения токсичных элементов в жидкой фазе отходов обогатительных предприятий.

В жидкой фазе отходов могут присутствовать различного рода загрязнители, превышающие предельно допустимые концентрации (ПДК) в десятки и сотни раз. Для обогатительных предприятий, таких, как

медно-, свинцово-цинко-, сурьмо- и золотоизвлекающие, наиболее характерными ингредиентами являются медь, цинк, свинец, кадмий, никель,,кобаль, сурьма,' а,также цианистые соединения, если в технологии извлечения применяется цианирование. Одним из основных видов токсичных загрязнителей по международным оценкам на современном этапе (Программа ООН пр окружающей среде, 1980 г.) являются тяжелые металлы, к ним жв относится и сурьма, обладающая свойствами металлоидов.

Совместно с кафедрой геохимии геологического факультета МГУ был проведен анализ форм, нахождения токсичных загрязнителей в жидкой фазе отходов горнообогатительных предприятий.

- Тяжелые металлы могут находиться в форме различных комплексов -, сульфатных. Карбонатных, гидроксильных, хлоридных, а также цианистых. Для - таких элементов, как сурьма, в интервале нейтральных и щелочных значений рН сточных вод. характерны отрицательно заряженные- (БЬ( ОН )~) и .нейтральные (БЬ( 0Н)3 ) комплексы. Щелочной характер жидкой фазы'отходов способствует устойчивости этих анионных форм. -

Цианистые соединения, как показал количественный расчет, могут присутствовать" в виде свободного иона С*Г(75,14%) или в форме нс№(10,64%). При этом практически 100Х всего количества цинка, никеля и железа, содержащихся в растворе, связано в комплексы с максимальным координационным числом - 4 или 6; медь образует комплексы - Си(СЮ*"(52,94%) и Си (СЮ*"(47,01Х). Приведенные данные свидетельствуют о том, что в циансодержащей пульпе абсолютно преобладают цианометаллические комплексы над свободными ионами металлов, а также комплексами другого состава. При' этом присутствие в растворе свободного цианид-иона подавляет процесс диссоциации и лишь после разложения цианид-ионов будет идти последовательный распад цианометаллических комплексов в соответствии с их константами нестойкости.

Глава 3. Грунтовая толща, как геохимический барьер на пути миграции цианидов.

На основе обобщения литературных данных, а также собственных экспериментальных исследований рассмотрены некоторые факторы и закономерности разложения цианистых соединений.

Период разложения цианидов в растворах простых солей КСИ,

ИаСЫ измеряется 10-14-сутками, деструкция же цианистых соединений в жидкой фазе пульпы, содержащей металлы, как показали исследования, идет значительно медленнее и измеряется несколькими десятками суток. Это означает, что при фильтрации жидкой фазы отходов, содержащих цианиды, через грунтовое основание хвостохранилища возможно загрязнение ими подземных вод.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что вещественный состав грунта оказывает влияние на скорость разложения цианидов. В частности выявлено, что наиболее активное воздействие на этот процесс 'оказывает почва (рис.1).

Почва способствует ускорению процесса разложения цианидов за счет снижения • рН при контакте жидкой фазы отходов с ее минеральной частью, наличия органического вещества и положительно заряженных коллоидных частиц.

Экспериментальная оценка роли почвенных микроорганизмов в этом процессе не дала определенных положительных результатов.

Повышению скорости разложения цианидов способствуют также карбонатные минералы грунтов^ буферирующие рН пульпы, что активно воздействует на разложение цианистых соединений.

Глава 4. Поглощающая способность грунтов в отношении тяжелых металлов.

Суглинистые грунты согласно литературным данным могут обладать поглощающей способностью в отношении ряда химических элементов. Поэтому для оценки грунтовой толщи как геохимического барьера были проведены исследования поглощающей способности на широком спектре дисперсных грунтов различного генезиса от супесей до тяжелых глин (табл.1). Все они были отобраны на участках действующих и проектируемых хвостохранилищ.

Кроме этого, были исследованы характерные мономинеральные глины - бентонитовая, каолинитовая и гидрослюдистая как основная часть тонкодисперсно(Г фракции суглинистых грунтов, а также глины, суглинки и лессовидные суглинки (Словакия), которые предполагалось использовать в качестве экранов для хвостохранилищ.

Поглощение на грунтах изучалось в отношении свинца, меди, цинка,' кадмия, кобальта, никеля, марганца Исследовалось также поглощение сурьмы рядом литологических разностей. Такой выбор элементов-сорбатов обусловлен тем, что они являются характерными

СоГ.

г з 4

бремя КОНТАКТА

,1 Изменение концентрации циания-иона в пульпе во времени при контакте с грунтами и почвой.

Концентрация ксх.растаора по Си в мг/л: • 213 х95 о 45 »22

Чл

1 I 3.4 5 6

объем гроконталтиромашегс с грунтом раствора

Рис. £ График обобщенных результатов по поглощении) меяи при различным концентрациях.

С

■Г

3

I 5 0.2

----»3

/

« го зо «

Элительность эксперимента

рис.3 1>пипние скорости Фильтрации IV) на характер выходных кривых.

1 - 4=0,Б м/сут; £ - У=£, £ м/сут; 3 - 4=5,г м/сут

Таблица I

Состав и поглощавшие свойства грунтов

NN ofyu ЦОК ГРУНТ, ВОЗРАСТ, ГЕНЕЗИС, {uft.ro er5op¿) n>ut4jhu£t!4l4£u состав повоя uuitlpuiürh^eciutit СОСТАВ ПОРОЛ шккть ПОП10Ш,А«1г;А| СПОСОБНОСТЬ П»УКШ, у1'

СадижАНИЕ . ФРАКЦИЙ, У- ГЛНННС1Ы№.ЕМАи|1иР«4КЛШ КЛТШМНОГС СЕМЕНА, НГ-Я1 ЮОг Си Zn Рв СА Ми Ni Со S6

< 0,01 ?! §! fe £ t í

1 мсемлЗни ашвнк DCUMÜ íu (ИЛМАЛМС) «.г 16 5.9 - «.3 5.7 "/. <09 гг м

2 ICCCOMáo« CV7MH0K смЗшм 0.9Í (—Í 411 23 7.« as 11.8 8.1 3Ü9 ш (2 200 н 6 5 8

3 мим^ш! («ПМНОК емдкхЯ Uljsif---) 311 6.0 6.8 1.5 10.6 6.3 26.2 100 50 130 10 6 6 7

4 /«ееспиЗш глиы лепид Qg (ШЧЬТЛВ) 741 - 2.2 ( 4 10.9 - '34.5 100 40 100 13 6 11 10

5 суг«я»к тижсльи Mi (ПЛАСТ) 46 6 12 0.3 4.0 0.9 - % 12

сугдннок тяжелым Uz ) 46 3 - 27.8 14.1 - - % 3

7 cgr/виж «гхин Mi 2S.1 - - 26.7 - - '/. 2

S г липа, т»желал £ (№ШОДЕ) S5.6 91.4 - - 7.9 - 90. S 19 10 72 35 10 16 10

9 глям средняя £ (УКРАИНА) Í2.79 - - 97.6 - - 14.7 - 5 2 15 4 2 4 1

13 глин» среЭши € (ЛЕШГШ.ОБЛ.) 71.67 - 96.1 - - - 14.3 42 и 65 20 10 15 8

11 СЦПЫНвК ЕСМЛЬШ tmN (СШАКИЯ) 45.1 - 530 - 3.8 9.9 27.0 S0 40 160 13 9 7 20 азг

12 лксэдидтч счпяхиок а (—■—) 3121 5.4 9.5 - 2.5 3.6 17.0 35 1S 64 (4 8 16 10

13 ГЛКН1 легкая и (——) S2M 6.9 25.7 1.5 - - 11.0 S 7 11 12 < 9 6

14 глкмд средняя a (—- 72.01 3.S 3.1 0.» - - 22.0 15 13 18 15 9 15 8

1S глина средняя (——) 7306 0.6 25.5 - 7.6 8.7 Í0 53 17 10 12 7 9 7

16 глша легкая » {-—) 65.09 2.5 15.6 - - - 7.0 12 8 20 10 9 1С 4

17 мсшиднля глкна легкая 54.4S 5.9 2.9 0.5 - - 20 14 9 17 14 9 14 г

18 глмм пжиил 99.27 ОЛ 21.3 - 10.6 14.2 28.0 $6 26 44 19 12 13 8

19 ледовыми омни тжжели в (----> Í0.S7 - 1.1 - 7.7 16.0 1.0 53 12 «2 9 7 7 6

20 лсивмдкым сулимо« тижгх а 47.91 0.6 4.6 - - - 21.0 1S 10 26 13 12 14 7

21 гточ«« (гцрмсюш ОБЛАСТЬ) 4.6 0.6 о. г - - 37.0 5 3 12 10 3 4 6

24 супьсь ¿1 (смЫЮП.ДОрш) 17.2 4.2 6.9 - - - 0.24

2S суглинок легкий рг (-г-) 30.2 0.9 10.8 - - -

21 СуВССЬ <Ц(Ш>Ш№1, ntlHHOR) 21.2 - 10.9 - - - 030

27 ""Г ) 16.1 3.) 114 - - -

- 12 -

загрязнителями отходов горнооОогатительных предприятий.

Эксперименты проводились с использованием растворимых солей тяжелых металлов (сульфатных и азотнокислых), а также жидкой фазы пульпы, отобранной на действующих обогатительных предприятиях.

Изучение поглощающей способности грунтов различного вещественного состава проводилось как в статических, так и в динами- ческих условиях на образцах ненарушенной структуры.

В ходе экспериментальных исследований в статическом режиме получению изотерм сорбции для всех литологических разностей (табл.1) в отношении вышеперечисленных металлов предшествовало решение следующих задач:

- выбор соотношения грунт - исходный раствор;

- выбор оптимального времени контакта грунта с раствором;

- выбор исходной концентрации элемента-сорбата в растворе.

Установлено, что необходимое время для протекания процесса

поглощения для различных металлов не одинаково и может изменяться, например, от первых часов для кадмия до суток и более для меди.

Экспериментальными исследованиями доказано, что в определенном диапазоне исходных концентраций, включающем содержания металлов, характерные для техногенных отходов, она не оказывает влияния на величину максимальной поглощающей способности грунта. Доказательством этого тезиса является сводный график для экспериментов с различными исходными концентрациями меди в растворе от 22 до 213 мг/л, представленный на рис.2, где приведена зависимость поглощающей способности от объема проконтактировавшего с грунтом раствора На графике объемы раствора для опытов с исходными концентрациями 22, 46 и 95 мг/л пересчитаны на объемы, соответствующие исходной концентрации 213 мг/л.

Выполненные исследования позволили определить оптимальный вариант получения изотерм сорбции с учетом необходимого времени контакта, соотношения грунт - раствор, а также исходной концентрации элемента сорбата в растворе.

По полученным изотермам сорбции впервые определены значения предельной поглошдющей способности для широкого диапазона суглинистых разностей в отношении тяжелых металлов, наиболее характерных для отходов обогатительных предприятий. (табл. 1).

Установлено, что поглощающая способность изменяется в пределах от 1 до 200 мг . на г грунта. Наибольшие значения ее харак-

терны для лессовидных суглинков, наименьшие - для каолиновой глины.

Степень дисперсности не является ведущим фактором, а большее значение имеет минеральный состав. При этом наличие карбонатных минералов и особенно кальцита оказывает основное влияние на поглощение Си, 1п, РЬ. Статистическая обработка данных дает высокие значения коэффициентов корреляции, характеризующих этот процесс -0,89; 0,76; 0,72 соответственно.

Проведенные исследования в статическом режиме позволили вывести ряд, характеризующий поглощение металлов:

РЬ > Си > 2п > Сс1 > Со > N1 > К4-1.

Для изучения влияния структурных особенностей грунта, его агрегированного в ряде случаев состояния проводились исследования поглощающей способности грунтов в динамических условиях на тех жэ образцах, которые использовались в • статических экспериментах. Сравнение величины поглощающей способности в динамике и статике показало, что они отличаются в 2-5 раз.

Выявленное в статических экспериментах положение о том, что для поглощения различных металлов требуется разное время контакта сорбента с сорбатом, подтверждается опытами в динамических условиях. В частности установлено, что скорость движения раствора оказывает существенное влияние на характер процесса поглощения и общий вид выходных кривых (рис.3). Полученные данные показали необходимость учета кинетики сорбции при прогнозе распространения загрязнителей в грунтовой толще основания хвостохранилищ.

Глва 5. Факторы, снижающие интенсивность поглощения металлов грунтовой толщей зоны аэрации.

Установлены факторы, снижающие экранирующую способность грунтовой толщи. К ним относятся: 1) комплесообразование в жидкой фазе отходов; 2) фильтрационная неоднородность грунтовой толщи.

Установлено, что присутствующий в стоках ряда обогатительных предприятий цианид-ион, будучи сильным комплексообразователем, препятствует поглощению металлов грунтами. При этом, чем более устойчивые комплексы образует металл, тем дольше он удерживается в растворе и тормозит процесс поглощения'грунтом тяжелых металлов.

Состав сорбента по-разному воздействует на скорость разложе-

ния цианометаллических комплексов и, соответственно, процесс поглощения металлов (рис. 4) металлов. Наиболее активными являются почвы, а также лессовидные суглинки, содержащие карбонатные минералы.

Подкисление отходов, содержащих цианометаллические комплексы, также форсирует начало поглощения металлов, причем максимум поглощения идет при условии рН-4, дальнейшее подкисление снижает интенсивность сорбции.

Вторым фактором, снижающим экранирующую способность грунтовой толщи зоны аэрации, являются различного рода текстурные нарушения, принципиально изменяющие характер миграции металлов (кротовины, ходы червей, остатки растительности и т.п.). Фильтруясь по такого рода нарушениям, токсичные элементы жидкой фазы пульпы не испытывают поглощающего влияния со стороны грунтовой толщи.

Вьйюлненные по специальной методике полевые исследования показали,, что при незначительной площади (1-3%) расход по такого рода нар^ениям может достигать 50-95% от общего объема профильтровавшейся жидкости. Суть методики заключается в том, что на определенном этапе полевого определения проницаемости различного рода нарушения полностью исключены из процесса фильтрации. Исключение макронарушений достигается путем их тампонажа специальными гелеобразующими растворами.

Для снижения отрицательного влияния процесса комплексообра-зования и различного рода фильтрационных нарушений на эффективность работы грунтовой толщи как естественного геохимйческого барьера разработан и апробирован специальный трехслойный экран. Первый элемент экрана - почвенный слой - способствует ускорению процесса разложения цианистых соединений. Второй элемент -прослой бентонитового порошка - обеспечивает необходимое время контакта почвы с жидкой фазой пульпы. Третий элемент - суглинок естественного сложения, в котором различного рода фильтрационные нарушения тампонированы гелем, обладающим низкой проницаемостью и высокой сорбционной способностью в отношении тяжелых металлов. Его назначение - исключить возможность суффозионного выноса бентонитового порошка и привести грунтовую толщу в однородное в фильтрационном отношении состояние.

3 2

25

С,мг/л

\ \ \ \ X ___ суглинок почка

\ \ \ \ ^ \ \ > \ \ \ - \

10 ¿0 , врем« контакта грунта с пульпой 30

Различие характера сорбции мели при контакте

с сугпинком и почвой.

Г.. жлоеко .««»(тимый ХГ- /стол жидкой ф«ы ПУЛЬПЫ (ЖФП)

1520м |"?чемтр4чин Си,и,Ми-50мг/д

АМЛЕ/к ХМОТХРШЛИВЦ

Мп

145мг-

/////-

ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ ТВЕРДАЯ фАМ ПЗЛЬПЫ

Рис.5 Эффективность работы грунтовой толщи как естественного геохимического бартера при

ММп =г3,е' мг/см3 » 3 »г/с» ; =38 мг/см3.

- 16 -

Глава 6. Оценка экранирующей способности грунтовой толщи гоны аэрации и эффективность работы искусственного глинистого экрана.,

/

Эффективность грунтовой толщи определяется условным столбом жидкой фазы пульпы, токсичные элементы которой могут быть, полностью поглощены грунтовой толщей зоны аэрации (рис.5).

Шлученные данные при исследовании поглощающей способности грунтов и гелей в статических и динамических условиях являются основой оценки экранирующей способности трутовых толщ, а также искусственных геохимических барьеров. Разработанная система оценки может выполняться на трех уровнях: грубоориентировочном, ориентировочном и точном - во всех случаях результатом такой оценки является определение предельного времени эксплуатации хвостохра-нилиша (тред), т. е. периода времени, в течение которого исключается выход Токсичных элементов за пределы' зоны аэрации.

Для грубоориентировочного и ориентировочного прогноза расчет Ьпред проводится по формуле: ,

№13

1пред -----------

СТ

где N - поглопщвдая способность грунта, 1 - мощность воны аэрации, Б - площадь хвостохранилища. V - ежегодный сброс жидкой фазы пульпы, С - концентрация токсичного элемента в пульпе.

В первом случае используется величина поглощающей способности, полученная в статических условиях, во втором - в динамических.

Более точная оценка экранирующей способности грунтовой толщи в основании объекта, выполняется с учетом значений миграционных параметров, полученных при обработке выходных кривых изменения концентрации от времени.

Для оценки характера распространения (рис.6) тяжелых металлов в суглинистых грунтах зоны аэрации, при скоростях фильтрации меньше 0,05 м/сут может быть использована гидродисперсионная модель при условии замены в соответствующем уравнении активной пористости (п ) на эффективную (п,) и коэффициента дисперсии й на

В данном случае для расчета Ьпред предлагается воспользоваться следующим выражением:

В предлагаемом решении считается, что грунтовая толпа или искусственный экран обеспечивает полную защиту подземных вод. и выбор С на эерхне'й* границе водоносного горизонта определяется • из выражения С - Cmf/C , где С„с,- предельно допустимая концентрация элемента (ПДЮ, С - концентрация элемента в жидкой фазе . . пульпы, сбрасываемой в хвостохранилидэ. - . • •

Определение Ьпред. выполняется по наиболее подвижному ', элементу, которым, . например, .для варианта, представленного на-рис. 6 , является- Mapraiieii • -

Определение миграционных параметров позволяет рассчитать - ми- . нимальную мощность экрана-(М min) из -глинистых или гелеобразующих материалов: - . . ' -

Mm/*. = тг; (v:t+ z ^Т7^)

. Расчет Ьщюд. -с использованием значений миграционных параметров показывает, что,это время значительно (в 2-5 раз) меньше, чем при определении по ориентировочному варианту (рис.7).

Глава 7. Реализация результатов исследований при оценке . . мест складирования отходов горноперерабатывающей промышленности.'

Результаты теоретических , и ' экспериментальных исследований . использованы на ряде объектов горнодобывающей промышленности.

Хвостохранилище Алмалыкекого ГОКа.

На Алмалыкском объекте впервые проведена оценка защищенности подземных вод от загрязнения не только на базе фильтрационных свойств, но и с учетом пбглощающих свойств грунтовой, толщи зоны аэрации в отношении тяжелых металлов.

Дано обоснование выделения участков в пределах ложа хвостох-ранилида по степени.защищенности. Выделение участков проведено с учетом проницаемости грунтов, их фильтрационной неоднородности, мощности отложений, а также поглощающей'способности в отношении металлов и кинетики сорбционных процессов.

Установлено, что загрязнение подземных вод на объекте связано не только с участками, где галечниковые отложения современных

сгносигиьнм мтимгыщм 0.15 0.50 0.75 -

6М /

8.

5

14.0 '

V

. / • • '. . / . /

'•'/Ми ■ ' / - ■/ У . / /

относительна* мнцентрщад 0.15 0.50 175 £

Р'ис. 6. Характер распространения тяжелых металлов в грунтовой толще при времени эксплуатации хвостохрани— лица в £5 лет, Ссц =

10 нг/п, У=0,3 м/сут. у -УГВ — уровень грунтовых воя —лессовидный суглинок -водоносный горизонт

53

Рис.7. .Характер распространения концентрации марганца а грунтовой толще через ^Р лет эксплуатации хвостохранипижа. 1-е учетЪм кинетики

сорбции П - по динамическим

экспериментам (ориентировочный прогноз)

Щ - по статическим экспериментам (ориентировочный прогноз)

Колонка : Элемент! Характеристика

ааюетного! экрана ; элементов

экрана | { .экрана

I I

10 щ.ность {Секторы слр* экрана [Делящие э<>-(м> |ф?ктавкост* (работы экр.

¡Основное |издначе

} ШН-

|экрана

{Искусственный 1 (почвенный ¡слоя

-1-;-

! Бентонитовый

(Наличие

I органики

-I-

}Ра&до*** |ние Он' 1 ионов

Л

{пороше к

I Низкая прони 0.131 ¡цаемость

|Кф МО* м/сут

--1—:--

(Тгиюн ировакнып | III I лессовидный ^ ; суглинок

Н-

1Исключение ¡нарушенкп !грунта

-{ Сорбция (тяжелых |металле& I

0.5

Рис.в. Основные элементы экрана и их назначение.

саев не перекрыты лессовидными суглинками, но и на участках, где мощность последних менее 5 м. На таких участках потенциальная поглощающая способность лессовидных суглинков может обеспечить надежную защиту подземных вод в течение сотен лет, однако этого не происходит в связи с тем, что часть жидкой фазы пульпы проходит через различного рода нарушения и не испытывает поглощающего воздействия со стороны грунта

На данном объекте выполнен сравнительный анализ результатов прогноза характера распространения токсичных элементов с естественным их распределением в основании отработанного хвостохранилища. Рекомендован ряд мероприятий по повышению экранирующей способности грунтовой толщи, основанных на ликвидации фильтрационной неоднородности и использовании искусственного экрана из лессовидных суглинков.

Хвостохранилище Кочкарской ЗИФ.

На готовящемся к эксплуатации хвостохранилище Кочкарской ЗИФ (г. Пласт) была проведена количественная оценка защищенности подземных вод от загрязнения. С учетом времени, необходимого для разложения цианометаллических комплексов, определена экранирующая способность естественного грунтового экрана и рассчитано 1пред для каждого из выделенных участков в основании хвостохранилища.

Для ряда участков с учетом степени защищенности предложены и реализованы мероприятия по повышению экранирующей способности грунтовой толвд. Эти мероприятия включают укладку почвенного экрана с целью разложения цианометаллических комплексов, создание противофильтрационного и сорбирующего экрана из глинистых материалов, а также определенную последовательность отработки на первом этапе месторождений золота с высоким содержанием глинистого материала. Рекомендованная последовательность отработки продиктована необходимостью первоначального заполнения хвостохранилища тонкодисперсной твердой фазой отходов, которая, аккумулируясь в пониженных формах рельефа, представленных защищенными участками, далее перераспределяется на слабозащищенные участки.

Хвостохранилище сурьмоизвлекающего производства.

Следующий объект, на котором использовались результаты проведенных исследований, является хвостохранилище сурьмоизвлекающей фабрики в г.Дубраве (Словакия). Согласно проекта, жидкая фаза пульпы, фильтруясь через основания хвостохранилища, собирается дренажной системой и сбрасывается в р. Крижанка. Это обеспечивало

очистку сброса лишь от твердой фазы. В ходе эксплуатации хвостохранилища было зафиксировано присутствие в сбрасываемых водах сурьмы и кадмия в концентрациях, превышающих ПДК. В этой связи перед нами была поставлена задача исключить вышеназванные элементы из сброса.

Комплекс выполненных теоретических и экспериментальных исследований показал, что очистка от кадмия может быть осуществлена с помощью песчано-гелевого экрана мощностью 0,5 м, поставленного на пути сброса жидкой фазы отходов.

Для сурьмы такой экран не является достаточным геохимическим

*

барьером. В связи с этим для исключения это1чэ элемента из отходов предложена добавка подкисленного раствора хлорного железа в пульпу сбрасываемую в хвостохранилище. Это обеспечивает соосавдение сурьми с гидроокисью железа. Избыток железа поглощается песча-но-гелевым экраном.

Хвостохранилище аварийного сброса при кучном выщелачивании.

Четвертым объектом, где использовались результаты исследований, является хвостохранилище аварийного сброса для отходов кучного выщелачивания золотоизвлекающего предприятия в районе г. Кок-четав.

Для защиты подземных вод от загрязнения цианидами и медью, предложен трехслойный экран (рис.8). В этом экране прослой бентонитового порошка обеспечивает необходимое время контакта почвенного слоя с циансодержащей пульпой. Для предотвращения суффоеион-ного выноса бентонитового порошка и исключения фильтрационной неоднородности используется тампонажный раствор, гель которого обладает высокой сорбционной способностью в отношении меди.

Выводы.

Выполненный комплекс теоретических, лабораторных и полевых исследований позволяет сделать следующие выводы.

1. суглинистые грунты обладают высокой потенциальной сорбционной способностью (от 1 до 200 мг/г грунта) в отношении тяжелых М1'Т!»ллов, что позволяет рассматривать грунтовую толщу зоны аэрации в ряде случаев в качестве надежного геохимического барьера

1) Установлено, что поглощаемость тяжелых металлов для суглинистых разностей в основном соответствует ряду РЬ.-Си>7.пД:с!>Со>М1>Мп.

2) Поглощение тяжелых металлов зависит от минерального состава

Значительное влияние на величину поглощения исследуемых металлов оказывают карбонатные минералы. Статистическая обработка данных показала высокие коэффициенты корреляции (К-0,72-0,89), характеризующие такую связь.

2. Предложена методика проведения экспериментальных исследований на образцах суглинистых грунтов ненарушенной структуры с целью получения миграционных параметров.

Определена роль структурных особенностей в поглощающей способности грунта и кинетике сорбционного процесса. Установлено, что значение величины поглощающей способности, полученное в динамических условиях, в 2-5 раз меньше, чем в статических.

3. Разработана и внедрена схема определения предельно допустимого времени эксплуатации хвостохранилища (Ьпред), под которым понимается время, исключающее загрязнение подземных вод на участке складирования токсичных отходов. Оценка тред, проводится с учетом техногенной нагрузки, глубины залегания подземных вод, мощности грунтовой толщи, а также поглощающей способности грунтов и миграционных параметров токсичных элементов.

4. Выявлены факторы, снижающие эффективность работы грунтовой толщи как естественного геохимического барьера на пути миграции тяжелых металлов. К ним относятся фильтрационная неоднородность грунтовой толщи и сложный химический состав жидкой фазы отходов, содержащих цианометаллические комплексы.

Разработаны и апробированы методы ликвидации осложняющих факторов.

5. Усовершенствован метод подхода к инженерно-геологической оценке территории при выборе мест складирования токсичных отходов. Предложенная методика дополнительно включает определение фильтрационной неоднородности грунтов зоны аэрации, их поглощающую способность и расчет миграционных параметров токсичных загрязнителей.

- 22 -

По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей.

1. Метод оценки экранирующей способности грунтовой толщи в районах развития горнодобывающей промышленности, (Соавт. Сергеев В. И., Голубев И. И., - Сквалецкий M. Е. ). В сб. : Проблемы техногенного изменения геологической среды и охраны недр в горнодобывающих регионах. Тезисы докладов регионального совещания. Пермь, 1991, с. 41-43.

2. Исследование поглощающей способности грунтов в отношении тяжелых металлов. (Соавт. Букашева А. А., Малашенко 3. П., Сергеев

B. И., Шимко Т. Г. ). В сб. : Защита подземных вод от загрязнения в районах проектируемых и действующих хвостохранилищ. М., МГУ, 1992, с. 31-46.

3. Сорбция тяжелых металлов при фильтрации растворов солей через грунты ненарушенной структуры. (Соавт. Сергеев а И., Сквалецкий M. Е. ). Там же, с. 47-53.

4. Влияние цианидов на сорбционные свойства грунтов в отношении тяжелых металлов. (Соавт. Порывкина М.Д., Сергеев В. И. ). Там же, с. 82-95,- ;

5. Особенности изменения тяжелых металлов по глубине в грунтовой толще зоны аэрации в основании хвостохранилищ. (Соавт. Думцев

C. R , Сергеев В. И.). Там же, с. 113-123.

6. Типологическое инженерно-геологическое районирование с целью оценки защищенности грунтовых вод (на примере хвостохранилища Алмалыкского комбината). ( Соавт. Свиточ ft А., Сквалецкий M. Е., Соколовский А.Т.). Там же, с. 123-141. . .

7. Оценка защищенности подземных вод от загрязнения в районах строящегося хвостохранилища Кочкарской ЗИФ и разработка мероприятий по его снижению. (Соавт. Малоземов А. Е , Свиточ Н. А., Сергеев В. И., Порывкина М. Д. ). Там же, с. 152-166.

8. Example of three-layers screen in the foundation of a disposal site for wastes, containing cyanide-metal complexes, (together with S e r g e e v V. I. , S h 1 m k о T.G). International symposium "Geology and confinement of toxic wastes" France,Montpellier.1993.