Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методика оперативной оценки экологической опасности отходов при разработке медно-цинковых месторождений Урала и перспективные способы их нейтрализации

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Методика оперативной оценки экологической опасности отходов при разработке медно-цинковых месторождений Урала и перспективные способы их нейтрализации"

На правах рукописи

ЖУКОВСКАЯ ЕЛЕНА ПЕТРОВНА

Методика оперативной оценки экологической опасности отходов при разработке медио-цинковых месторождений Урала и перспективные способы их нейтрализации

25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург, 2003 г.

Работа выполнена в ФГУ «Свердловский территориальный фонд геологической информации».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор В.Г. Зотеев кандидат геолого-минералогических наук, доцент Т.К. Костерова

Официальные оппоненты; доктор химических наук, профессор В.Г. Березюк кандидат технических наук А.Н. Медведев

Ведущая организация - Главное управление природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Свердловской области (ГУПР по Свердловской области).

Зашита состоится «9» июля 2003 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 216,013.01 в Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов.

Автореферат разослан « 1» июня 2003 года.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим высылать по адресу; 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Ю.С. Рыбаков

2 ? М / з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На территория Свердловской, Челябинской, Оренбургской областей и Башкортостана накоплено значительное количество техногенных отходов, образующихся при добыче и переработке медноколчеданных руд. Во всех рудных и вмещающих породах разрабатываемых медноколчеданных месторождений содержатся сульфидные минералы (пирит, халькопирит, сфалерит и др.), поэтому отвалы, хвостохранилища и водоотливы этих рудников являются постоянными источниками выноса тяжелых металлов в поверхностные и подземные воды.

Гидроизоляция отвалов и хвостохраиилищ при их рекультивации требует больших капиталовложений, однако при существующей экономической ситуации выделение таких средств практически невозможно, поэтому необходимо нейтрализовать хотя бы наиболее опасные объекты. Для адекватной экспертной оценки степени опасности того или иного объекта необходимо располагать достоверными данными о токсичности большинства ю них, что трудноосуществимо особенно по горнодобывающим предприятиям, прекратившим свою деятельность.

В связи с вышесказанным разработку расчетного метода определения интенсивности выноса тяжелых металлов Ю техногенных отходов горного производства, базирующегося на статистическом анализе, следует считать актуальной задачей исследований.

Цель работы - разработка оперативной методики оценки экологической опасности техногенных объектов и обоснование выбора природоохранных технологий для зашиты поверхностных н подземных вод от их влияния.

Основная идея работы заключается в обосновании возможности оценки экологической опасности техногенных медно-цинковых образований по водородному показателю и содержанию ионов железа в их фильтрате.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: - систематизация данных по минеральному и химическому составу техногенных отходов и рудничных вод медно-цинковьп ^меу д

г БиблиотекА

Петербург

рк_

е.- м 1

находящихся на территории Уральского региона, времени их складирования, а также химическому составу и кислотности фильтрата, образующегося в процессе проникновения в них атмосферных осадков;

- установление основных факторов, определяющих концентрацию тяжелых металлов в растворах, и уравнений множественной корреляции, описывающих эту связь;!

- оценка окислительной роли железа в выщелачивании сульфидов при изменении его валентности;

- разработка принципиальных технологических схем нейтрализации экологически опасных объектов за счет извлечения из них тяжелых металлов.

Научные положения, представленные к защите:

1 Корреляционные уравнения, полученные при статистической обработке данных химического состава рудничных вод и фильтрата отвалов и хвосто хранилищ, образовавшихся при разработке медно-цинковых месторождений Урала, обеспечивают возможность определения содержания в воде токсичных металлов по водородному показателю раствора и содержанию в нем ионов железа

2 Предлагаемая методика оценки токсичности фильтрата обеспечивает возможность оперативной оценки экологической опасности техногенных медно-цинковых образований

3 Разработанные типовые технологические схемы могут быть использованы для рекультивации техногенных образований при минимизации затрат за счет попутного извлечения металлов и устранения риска вторичного загрязнения поверхностных и подземных вод.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована статистической обработкой данных химического, минерального состава отходов горнодобывающей промышленности, математической обработкой полученных результатов, а также высокой сходимостью расчетных и фактических данных химического состава техногенных вод.

Научная нжизиа работы

1. Впервые на основе химического состава фильтрата отвалов, хвостохранилшц и рудничных вод медно-цинковых месторождений Урала получены уравнения, обеспечивающие возможность определения концентрации токсичных металлов в растворах по величине их водородного показателя и содержанию железа.

2. Разработана методика, позволяющая провести оперативную оценку экологической опасности техногенных объектов на момент их экспертного обследования для принятия обоснованного решения по необходимости их нейтрализации.

3. Выполнена количественная оценка роли трехвалентного железа в выщелачивании меди из отвалов и законсервированных рудников медно-цинковых месторождений Уральского региона.

Практическая ценность работы

1. Для надежной оценки экологической опасности техногенных объектов, связанной с естественными процессами выветривания н выщелачивания из них тяжелых металлов, достаточно периодического опробования подогеальных, рудничных вод и фильтрата хвостохранилищ для определения рН и содержания в них железа.

2. Установлены корреляционные уравнения, позволяющие вычислить содержания меди, цинка и железа в техногенных водах при минимальных затратах времени и средств с целью оценки экологической опасности техногенного объекта.

3. Разработан комплект типовых технологических схем нейтрализации техногенных образований, обеспечивающих минимизацию затрат на их рекультивацию за счет прибыли от извлечения цветных металлов с использованием в качестве выщелачивающего реагента РвгфООз, регенерируемого внутренней средой техногенного массива, и исключающих риск загрязнения поверхностных и подземных вод при переработке отходов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1, «Чистая вода России - 2001» - Екатеринбург, 2001 г.

2, «Экологическая безопасность Урала» - Екатеринбург, 2002 г.

3, «Инженерная защита окружающей среды» - Москва, МП Т У, 2002 г.

4, «Техногенная трансформация геологической среды» - Екатеринбург, 2002 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, птги глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 46 таблиц, 21 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследований и научные положения, показаны научная новизна к практическая значимость работы.

Глава 1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Интенсивная деятельность горнодобывающей и металлургической промышленности привела к накоплению на земной поверхности Урала миллиардов тонн техногенных отходов, занимающих сотни квадратных километров площадей. По причине добычи только богатых руд в период с 1950 по 1990 годы в этих отходах остались неизвлеченными сотни миллионов тонн таких металлов как железо, марганец, медь, цинк, хром и др., которые под многолетним воздействием атмосферных осадков переходят в растворимые соединения и выносятся с ними в подземные и поверхностные воды. В результате этого на участках рек ниже промышленных центров суммарное содержание токсичных тяжелых металлов в десятки и сотни раз превышает ПДК. При сравнении данных результатов расчетов массы тяжелых металлов в речных водах Свердловской области на границе с соседними областями следует, что деля промышленных стоков в загрязнении речных вод составляет по меди 1,2 %, по цинку - 1,8 %, по марганцу - 0,06 %, по железу - 0,58 %, а основная

масса тяжелых металлов поступает в реки с техногенных объектов, учет стоков с которых практически не ведется, и с атмосферными осадками.

Гидрогеохимия техногенеза рассмотрена в работах Тюпоновой Ф.И, Смирнова С.С., Емпина Э Ф., Крайнева С.Р., Мироиенко В. А, Румынина В.Г. и других. Миграция меди в подземных водах изучалась А.А. Бродским, А.И. Перельманом, ГА Голевой и другими исследователями.

Статистический анализ давно и с успехом применяется в гидрогеохимии для решения ряда задач. При решении общих вопросов формирования химического состава подземных вод вероятностно-статистические методы впервые были использованы С.И. Смирновым. На Урале гидрогеохимические исследования начали проводить в ¿0-70-е годы. Исследования химического состава рудничных и подотвальиых вод Урала проводили Табаксблат Л.С., Востро кнутов ГА, Востро шутов АХ, Емлин Э.Ф. и другие.

На базе гидрохимических данных при помощи статистических методов решались в основном локальные инженерные задачи: выявление возможно более широкого круга элементов в водах, а также закономерностей размещения на территории Свердловской, Пермской, Челябинской, Курганской областей водоносных систем, содержащих в водах те или иные химические элементы в приемлемых с точки зрения кондиций количествах; оценка металлоносиости вод прежде всего разрабатываемых месторождений разных генетических типов с выделением объектов, перспективных для дальнейших поисково-разведочных, оценочных или детализационных режимных исследований; разработка ряда методических, теоретических, генетических и региональных аспектов гидрогеохимии микроэлементов, связанных с проблемами рудо- и техногенеза.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ТЕХНОГЕННЫХ

ОБЪЕКТОВ

Дня разработки методики оценки интенсивности выноса тяжелых металлов ю техногенных объектов был выполнен статистический анализ информации по минеральному, химическому составу отходов и рудничных вод медно-колчеданных месторождений, находящихся на территории Уральского региона,

времени их складирования, а также химическому составу стоков, образующихся в процессе инфильтраций через них атмосферных осадков

Добычу и обогащение медно-колчеданных руд на Урале осуществляли и осуществляют следующие предприятия: «Урашлеетромедь», Деггцхжое рудоуправление, Красноуральскнй медеплавильный комбинат, Киров градский медеплавильный комбинат, Среднеуральский медеплавильный завод, Турьинский медный рудник, Волковскнй рудник, рудник им. Ш Интернационала, Сафьяновский медный рудник (Свердловская область); Башкирский медно-серный комбинат (БМСК), Учалинский горно-обогатительный комбинат (УТОК), Бурибаевское рудоуправление (Башкортостан); Гайский ГОК (Оренбургская область).

Отходы добывающего производства медной промышленности представлены отвалами вскрышных вмещающих пород и забалансовых руд после открытой и подомной разработки рудных месторождений, общий объем которых составляет более 67 млн. т Наибольший объем вскрышньЕХ и вмещающих пород накоплен рудниками Красноуральского медеплавильного комбината, Волковскнм и Сафьяновским рудниками (свыше 10 млн. т), заскладпровакных забалансовых руц — Волковскнм рудником.

Отходы обогатительного производства медной промышленности Уральского региона представлены хвостами флотации руд обогатшелыых фабрик. По состоянию на 1.012000 г. накоплено свыше 96 млн. т отходов обогащения медных руд. С хвостохранилищами связана совокупность явлений, отрицательно воздействующих на окружающую среду - загрязнение воздушного бассейна, высокая агрессивность техногенных вод, экотоксичносгь элементов и вероятность аварийных ситуаций на объектах, входящих в состав хвостовых хозяйств.

Дренажные воды колчеданных месторождений Урала характеризуются повышенным содержанием рада сндерофильных, халькоф ильных и литоф ильных химических элементов, в десятки и сотни раз превышающих минимально-промышленное содержание в подземных водах Урала. Отсутствие эффективных технологий извлечения этих элементов н несовершенные системы очистки сточных вод приводят к выносу в окружающую среду значительного количества загрязняющих, в том числе токсичных, элементов и их соединений.

Анализ современного состояния техногенных объектов на медноколчеданных месторождениях Урала показывает, тго их фильтраты загрязнены в основном медью, цинком, железом и сульфатами, содержание которых превышает ПДК в сотни и тысячи раз. В результате смешения фильтрата с поверхностными и подземными водами наблюдается повсеместное загрязнение хозяйственно-питьевых источников водоснабжения.

На большинстве уральских горнодобывающих предприятий отсутствуют какие-либо работы по ведению мониторинга, поэтому оценить экологическую опасность и выделить первоочередные техногенные объекты для их нейтрализации не представляется возможным.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ВЫНОСА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕДНО-ЦИНКОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Практически во всех рудных и вмещающих породах разрабатываемых медно-цинковых и железорудных месторождений Урала содержатся сульфидные минералы (пирит, халькопирит, сфалерит и др.), окисление которых происходит в условиях их активного взаимодействия на поверхности свежеобнаженных отвальных пород с атмосферной влагой и кислородом воздуха. Основными металлами, выносимыми из сульфидных техногенных объектов, являются железо, медь и цинк.

Для исследования взаимосвязи содержания основных металлов (Ре, Си, и рН в фильтрате техногенных образований (хвосгохракнлищ, подотвальных и рудничных водах) нами были использованы результаты химических анализов техногенных вод следующих горно-обогатительных и медеплавильных комбинатов Среднего и Южного Урала: Красноуральского, Кировградского, Среднеуральского, Райского, Бурибаевского и других.

В данной главе рассматриваются некоторые из вероятностно-статистических методов прогноза, а именно - метод парной и множественной корреляции. Вероятностный метод прогнозирования химического состава техногенных вод основан на корреляции между содержанием меди, цинка, железа и рН, а также на связи содержания меди, цинка и железа. Нами была

использована линейная зависимость. При применении парной линейной корреляции устанавливаются линейные зависимости вида

у = а + Ьх, (1)

Водородный показатель и содержание железа, используемые для прогноза содержания токсикантов с помощью модели (1), являются наиболее информативными косвенными характеристиками. Всего из общего числа наблюдений сформировано 3 класса (объекта) исследований: фильтрат хвостохранилн щ, рудничные и лодотвальные воды. Для каждого объекта оценены статистические параметры распределения показателей исследуемых свойств (средние значения х, стандарты дисперсия <х,), характеристики их взаимосвязей (коэффициенты корреляции г). Абсолютные значения коэффициентов корреляции содержания меди, цинка и железа с рН варьируют от -0,646 до -0,806.

На начальной стадии окисления сульфидов в техногенных объектах главную функцию в окислении сульфидов выполняют атмосферные осадки со значением рН ниже 7 и кислород, растворенный в воде. Пирит, практически всегда преобладающий в колчеданных рудах, окисляясь, образует сульфат окиси железа и серную кислоту, которые, в свою очередь, окисляют сульфиды меди и цинка. Медь, цинк и частично железо выносятся в ионной форме из техногенных объектов в поверхностные и подземные воды. Скорость окисления и растворения в значительной степени увеличивается, когда различные сульфиды окисляются совместно.

На основе собранных данных был проведен статистический анализ взаимосвязи содержания меди и цинка с концентрацией железа общего в техногенных растворах. При этом установлено, что в подотвальньгх водах коэффициенты корреляции соответственно равны 0,969 и 0,633, в рудничных водах - 0,797 и 0,909, в фильтрате хвостохранилищ - 0,781 и 0,681. Наличие между ними тесной связи свидетельствует о благоприятных условиях накопления основных тяжелых металлов в техногенных водах.

Поскольку состав подземных вод в районах техногенных образований формируется, как правило, при одновременном воздействии нескольких факторов, то для его прогноза во многих случаях оказывается целесообразным

применение множественной корреляции. Уравнение множественной линейной регрессии имеет вид

у = а+{1Ь]х], (2)

1 1 3

где .у - прогнозируемое содержание токсиканта; х/ - независимая переменная; а -свободный член; Ьу - коэффициенты уравнения регрессии но независимой переменной. В качестве предсказателей-предикторов использованы значения рН и содержания железа (табл. 1).

Таблица I

Уравнения множественной корреляции

Объект Уравнение регрессии Коэффициент корреляции

Подотвальные воды Со =* 356,501 - 80,086 рН + 0,591 СРе Са, = 2032,109-474,401 рН + 0,356 СР, 0,971 0,773

Рудничные воды Со, - 104,554 - 13,573 рН + 0,124 СРе Съ, = 71,169 - 9,035 рН + 0,102 СР, 0,843 0,893

Фильтрат хвостохранилищ Со - 16,245 - 0,272 рН + 0,055 Ср. Сщ - 93,706-14,014 рН + 0,092 СГе 0,789 0,722

Кроме того, были вычислены также доли детерминированного вклада водородного показателя и концентрации железа, определяющие концентрацию меди к цинка в воде (табл. 2).

На основе выполненных статистических расчетов представляется весьма перспективной следующая экспресс-методика оценки состояния техногенных объектов медно-цинковых месторождений:

1. При обследовании отвалов и хвостохранидищ отбираются пробы воды из ручьев, луж у их оснований или из наблюдательных скважин, по которым с использованием экспресс лаборатории определяется макрокомпонентный состав воды, прежде всего содержание сульфатов и железа общего, а также замеряется величина водородного показателя.

Таблица 2

Оценка детерминированного вклада водородного показателя и железа на концентрацию меди ц цинка в фильтрате хвостохранилгац, рудничных и подотваяъных водах

Объект Прогнозируемый компонент Доля детерминированного вклада Относительный вклад, %

рН с* рн Си

Подотвальные воды Сеч 0,081 0,861 8 92

С г„ 0,485 0,112 81 19

Рудничные воды Сси 0,317 0,393 45 55

Сго 0,309 0,488 39 61

Фильтрат хвостохранилиш ССи 0,124 0,498 20 80

Сго 0,270 0,251 52 48

2. Часть проб консервируется и направляется на полный химический анализ, если же такая возможность отсутствует, то для ориентировочного определения содержания меди и цинка в пробе могут использоваться уравнения парной корреляции,

3. Более точная оценка содержания меди и цинка может быть выполнена по уравнениям множественной корреляции, приведенным в таблице I.

По результатам расчетов полученные значения сравнивает с фоновыми значениями или с ПДК для поверхностных или подземных вод. При превышении нормативов в 2-3 раза принимается решение о необходимости проведения нейтрализации техногенных объектов. Однозначное ранжирование предусмотреть невозможно, так как при одинаковой степени опасности следует учитывать также и географические особенности территории; наличие близраспояоженных водотоков, водоемов, их стоковые и объемные характеристики, а также наличие водозаборов, их целевое назначение и дебит водоотбора.

После выявления индикаторных концентраций математическим пугем появилась реальная возможность давать заключения с количественными оценками эффективности и надежности определений даже по единичным пробам. После получения основных результатов была проведена контрольная

проверка эффективности практического применения разработанной методики, которая показала вполне достаточную эффективность.

Предлагаемая методика при минимальных затратах времени и средств обеспечивает учет как гранулометрического и минерального состава каждого конкретного накопителя» так и климатические условия района его расположения, а также позволяет оценить экологическую опасность техногенных объектов на момент их экспертного обследования и принятия обоснованного решения по необходимости их нейтрализации.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАЛЕНТНОСТИ ЖЕЛЕЗА НА СОДЕРЖАНИЕ МЕДИ И ЦИНКА В ПОД ОТВАЛЬНЫХ ВОДАХ Роль трехвалентного железа в качестве одного из основных окислителей сульфидов рудных месторождений известна давно и широко освещена в литературе. Исследования по оценке влияния валентности железа на содержание металлов в подотвальных и рудничных водах проводились Халезовым Б.Д., Рыбаковым Ю.С., Чижовым Е А., Комнным А.В. в работах, посвященных охране водных объектов от загрязненного стока с техногенных образований методами химической рекультивации. Однако использование результатов, полученных в лабораторных условиях, для прогноза интенсивности выщелачивания металлов из техногенных отходов в естественных условиях некорректно, поскольку состав модельных растворов не имеет ничего общего с атмосферными осадками, а интенсивность и продолжительность дождей и пауз между ними различна как по времени года, так н по регионам. Кроме того, условия залегания техногенных грунтов в большинстве случаев исключают возможность проведения в них натурных испытаний. При проведении лабораторных исследований фильтрационные параметры определяются на образцах нарушенного сложения, так как для насыпных грунтов ненарушенную структуру сохранить не удается, что не соответствует новому состоянию горных пород, подвергшихся техногенному преобразованию.

Поэтому для оценки роли трехвалентного железа и выщелачивании меди из отвалов и законсервированных рудников на основании данных химических анализов Гайского ГОКа были рассчитаны уравнения статистической

зависимости и коэффициенты корреляции связей содержания меди и цинка с концентрацией двух- и трехвалентного железа в техногенных растворах.

Статистическим анализом установлено, что в подствальных водах исследуемого месторождения преобладающей является трехвалентная форма железа, а двухвалентная форма проявлена слабо. Корреляционная зависимость меди от Ре'4" в подствальных водах позволяет считать их постоянными элементами-спутниками в рассматриваемой среде. Эту взаимосвязь целесообразно использовать при выборе технологии обезвреживания отвалов, хвостохранилищ и руд, оставшихся в недрах.

За последние годы произошло значительное истощение запасов богатых руд в промышленно развитых районах, вследствие этого содержание металлов в добываемых рудах снизилось с 1965 по 1985 г,г. по: меди с 1,15 до 0,90, цинку с 3,34 до 1,72, свинцу с 1,62 до 1,11 % (Халезов Б.Д.). По прогнозам содержание меди в добываемых и перерабатываемых традиционными технологиями рудах будет ежегодно снижаться, что приведет к удорожанию производства цветных металлов. В настоящее время на обогащение подаются руды с содержанием ценных элементов, соизмеримым с их содержанием в отходах, накопленных в отвалах и хвостохранилищах, В отрабатываемых и отработанных месторождениях имеются подземные потери руды в виде различных целиков или рудных тел, которые в соответствии с горнотехническими правилами эксплуатации месторождения или из-за низкого (по тем временам) содержания полезных компонентов не отрабатывались. Содержащиеся в них рудничные воды являются источником загрязнения поверхностных и подземных вод. Поэтому закономерно встает вопрос об изучении накопленных отходов с целью возможности их повторной переработки для извлечения содержащихся в них металлов. Указанное обуславливает необходимость поиска новых технологических способов производства цветных металлов кз неиспользуемых в настоящее время источников сырья, которые к тому же наносят огромный вред окружающей среде.

К таким нетрадиционным способам относятся геотехкологни - кучное (КВ) и подземное выщелачивание (ПВ). При этом источником производства цветных металлов в первую очередь являются окисленные бедные сульфидные

руды. В мире уже более 250 лет успешно производят медь подобными геотехнологическими способами с объемами около 350 тысяч тонн в год. В России периодически КВ и ПВ медных руд осуществляли начиная с 1874 года.

Широкому внедрению кучного выщелачивания для извлечения меди и цинка из отвалов некондиционных руд и хвостохранилищ препятствуют высокая степень риска загрязнения поверхностных и подземных вод за счет утечек рабочих растворов, как это произошло на Волковском руднике. Внедрению подземного выщелачивания препятствует низкая проницаемость рудного массива естественного сложения, что требует закачки рабочего раствора в скважины под большим давлением, что, в свою очередь, предопределяет загрязнение поверхностных н подземных вод на больших расстояниях от участка выщелачивания за счет преимущественного растекания растворов по зонам разломов и карстй, секущих разрабатываемое месторождение.

При выщелачивании металла из потерянных запасов руды оставшихся в зоне обрушения рудников, не говоря уже о хвостах, заскладированных в карьерные выемки, продуктивная часть массива за счет интенсивного дробления имеет коэффициент фильтрации в 101-10* раз выше, чем у вмещающих пород. Поэтому рабочий раствор в зону обрушения подается под минимальным давлением, или используется в режиме орошения поверхности выщелачиваемого участка. Такой режим полностью исключает возможность растекания рабочего раствора за пределы участка выщелачивания, особенно тогда, когда в зоне обрушения за счет откачки продуктивных растворов поддерживается уровень грунтовых вод ниже местного базиса разгрузки.

Поскольку нейтрализация техногенных объектов, являющихся долго действующими источниками загрязнения поверхностных и подземных вод, путем выщелачивания с использованием сернокислотных растворов не только требует значительных затрат, но и увеличивает риск негативного воздействия на состояние окружающей среды, представляется целесообразной разработка методов извлечения токсичных металлов из фильтрата и подземных вол за счет использования окислительной способности соединений железа, управляя его валентностью. Установленная прямолинейная корреляция между содержанием в техногенных водах мели и трехвалентного железа может послужить основой для

организации промышленного извлечения меди из техногенных месторождений путем их выщелачивания за счет создания замкнутого цикла водооборота по схеме: фильтрат —> осаждение меди на железном скрапе (при котором происходит обогащение раствора FeSOO окисление FeSC>4 до Fe2(SO<)3 в прудке-окислителе -> орошение техногенного месторождения (отвал, законсервированное хвостохранилнще, зона обрушения рудника).

Таким образом, при окислении сульфидов растворы, в конечном счете, обогащаются легкорастворимыми сульфатами меди, которые направляются на цементацию на железном скрапе, а подкисленные естественным путем растворы после извлечения меди отстаиваются для окисления Fe1+ до Fe3+ и подаются вновь на выщелачивание. При возникновении дебаланса из-за вовлечения подземных вод, избыток воды следует направлять на очистку на существующие станции нейтрализации.

Глава 5. РАЗРАБОТКА ТИПОВЫХ СХЕМ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ токсичными ФИЛЬТРАТАМИ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Одним из крупнейших горнодобывающих предприятий Урала является Гайский горно-обогатительный комбинат, расположенный на северо-востоке Оренбургской области. Комбинат производит медный, цинковый и пиритный концентраты, добывая и перерабатывая руды Райского медно-колчеданного месторождения, которое было открыто в 1950 - 1953 годах.

В настоящее время запасы в контуре открытых работ Гайского месторождения большей частью отработаны, и основная добыча ведется подземным рудником. В связи с ростом объема добычи до 7,7 миллионов тонн руды в год за счет реконструкции подземного рудника и обогатительной фабрики, а также эксплуатации месторождений «Осеннее» и «Летнее», на комбинате в течение нескольких лет проводится реконструкция основных производственных объектов по добыче и переработке руд.

При разработке комплекса мероприятий по повышению качества проектных изысканий принято решение об использовании выемки карьера № 2 для создания нового хвостохранилища, обусловленное тем, что для размещения

отходов обогащения используются нарушенные земли, исключая необходимость отторжения для хвостохранияища сотен гектар новых земель; значительный объем выработанного пространства (свыше 70 млн.м3) обеспечивает длительную эксплуатацию хвостохранилища (примерно 30 лег заполнения хвостами при годовой производительности фабрики 5 млн.т/год); попутно осуществляется наиболее трудоемкая и дорогостоящая стадия технической рекультивации карьера (засыпка или затопление); исключается пьшение, так как хвостохраннлище формируется ниже земной поверхности; исключается загрязнение грунтовых вод, так как хвосты складируются ниже местного базиса разгрузки. При поддержании зеркала воды в хвостохраннлище ниже местного базиса разгрузки миграция тяжелых металлов в подземные воды будет незначительной.

В настоящее время вовлечены в повторную переработку также медьсодержащие шлаки Кнровградского и Среднеуральского медеплавильных заводов. Весьма вероятно, что не позже, чем через 10-15 лет такая же судьба ждет и хвостохранилища Гайского ГОКа. Учитывая такую перспективу необходимо предусмотреть такой способ рекультивации хвостов, при котором возможна повторная переработка отходов обогащения. Поэтому самым экологически и экономически выгодным способом рекультивации подобного хвостохранилища является, на наш взгляд, метод подземного выщелачивания. Это обусловлено следующим:

- нет необходимости перекрывать хвосты прогивофильтрационным экраном;

- крайне низкий коэффициент фильтрации скальных пород, слагающих борта карьера (1-Ю"1 - МО"1 м/сутки) по сравнению с хвостами (0,5 - 1,0 м/сугки) предопределяет низкие потери рабочего раствора из захоронения;

- высокий коэффициент фильтрации хвостов позволяет существенно увеличить расстояние между закачными скважинами по сравнению с принятыми для коренных месторождений, а отбор насыщенного раствора осуществлять через водосбросную скважину, пройденную на последней стадии заполнения карьера до сбойки с дренажным штреком, который после создания в нем глухой перемычки за пределами контура карьера № 2 будет служить коллектором раствора;

- при условии перекрытия хвостов защитным слоем толщиной 1,5 - 2,0 м выщелачивание может осуществляться круглогодично, при этом в летний период рабочий раствор после извлечения меди целесообразно выдерживать в течение нескольких суток в прудке окислителя для увеличения содержания в нем Ре2(50<|)з и затем направлять на повторную закачку в скважины;

- после извлечения меди вторичные отходы остаются на месте их складирования и затраты на их консервацию будут минимальными.

Принципиальная схема извлечения меди из отходов обогащения сульфидных руд, заскладированных в карьерные выемки, представлена на рисунке I. При ее реализации выщелачивающие кислые растворы просачиваются через хвосты обогащения и за счет процесса гравитационной дифференциации скапливаются в придонной зоне карьера, где сооружена система сбора обогащенных растворов. Затем они поднимаются на поверхность при помощи водозаборной скважины и подаются на цементацию в желоба или ванны с железным скрапом для извлечения меда. Растворы после цементации вновь направляются в ре генерационный прудок.

Влияние старогодяего хвостохранилища Тайского ГОКа, расположенного в 1,7 км к северо-западу от города Гай Оренбургской области, на объекты окружающей среды может быть сведено к минимуму путем применения специальных природоохранных решений - рекультивации хвостохранилища с попутным извлечением меди из отходов обогащения. Принципиальная схема их переработки представлена на рисунке 2.

заскладиро«анных в карьерные выемки

Рис. 2. Принципиальная схема извлечения меди из отходов обогащения, заскяадированн ш в хвостохрамшища наземного типа (на примере Райского старого хвостохран илтца)

Строительство опытно-промышленной установки выщелачивания предполагается на территории самого хвостохранилища, т.е. дополнительного земельного отв'бда не потребуется. На поверхности хвостохранилища сооружается оросительная система для подачи выщелачивающих растворов, содержащих трехвалентное железо. Вода, теряемая из хвостохранилища за счет фильтрации через ложе и ограждающие дамбы должна перехватываться дренажной канавой, обеспечивающей полный перехват выщелачивающих растворов. Растворы из дренажной канавы отводятся к рзстаоросборнику, затем подаются иа цементационную установку и после этого - в прудок кислых вод, где доокисляются и вновь используются для выщелачивания. По направлению потока грунтовых вод бурятся наблюдательные скважины, которые оборудуются насосами с целью их использования в качестве откачных скважнн при аварийных утечках растворов. Таким образом, обеспечивается замкнутая схема водооборста и, тем самым, защита подземных и поверхностных вод территории ог загрязнения фильтрующимися растворами, исключается сброс сточных вод н попадание фильтрата через подземные воды в поверхностные водотоки.

Еще одним экологически опасным объектом является законсервированный Деттярскнй рудник.

Дегтярское медно-колчеданное месторождение, расположенное в черте города Дегтярска, отрабатывалось подземным способом с 1914 по 1995 год при максимальной глубине горных работ 610 м. Шахтный водоотлив был прекращен на Деггярском руднике в декабре 1995 года. Затопление горных выработок

общим объемом 505,9 тысяч кубических метров и заполнение депрессионной воронки завершилось в мае 1999 года.

Специфической особенностью гидрогеологических условий рассматриваемой территории является нарушенность массива пород подземными горными выработками, что указывает на очень высокую водопроводимость массива пород и продолжающуюся дренирующую роль горных выработок.

Формирование химического состава подземных вод, характеризующегося кислой средой и повышенным содержанием металлов, происходит в результате окисления сульфидов в рудовмещающнх породах рудника и использующихся на территории города для отсыпки дорог, засыпки выемок н пр. За счет окисления остаточной сульфидной минерализации, неотработанных целиков рудного тела, а также подпитывания загрязненными атмосферными осадками, проходящими через слой отвальных пород, подземные воды этой зоны будут загрязнены довольно длительное время. Кроме того, если учесть, что в процессе разгрузки подземных вод произойдет загрязнение речных вод, главным образом реки Исток, которая впадает в Волчихинское водохранилище - источник питьевого водоснабжения города Екатеринбурга, то становится очевидной необходимость проведения работ по химической рекультивации списанных запасов руд на Дегтярском месторождении. Дня достижения этой цели необходимо применение методик, обеспечивающих защиту подземных и поверхностных вод от загрязнения н комплексное использование минеральных ресурсов прк безотходном и малоотходном производстве. Одним из подходов к решению этой проблемы является широкое использование методов геотехнологии.

Для довытаелачивания меди из участков, разработка которых велась подземным способом, и в пределах которых произошло разрушение целиков и обрушение кровли, подача выщелачивающих растворов в техногенный массив осуществляется через пробуренные с поверхности скважины, либо путем распределения растворов оросительными трубопроводами на поверхности земли над участками обрушения (рисунок 3). В качестве выщелачивающего реагента рекомендуется использовать раствор Рег(504)). Этот раствор, просачиваясь через толщу пород и обрушенные рудные участку при взаимодействии с сульфидами

будет обогащаться медью. Продуктивные растворы откачивают на поверхность через ствол шахты «Капитальная Ла 2», которая служит при этом главным растворосборником.

Рис, 3. Принцитизяьная схема очистки поверхностных и подземных вод

территорий, окружающих подземные рудники после их консервации

Определяющим фактором оценки экономической эффективности для применения способа подземного выщелачивания на техногенных образованиях является его экологическая безопасность. Существенным сдерживающим фактором развития метода является также отсутствие достоверных данных об ожидаемой полноте выемки полезного ископаемого и других экономических показателей рационального использования неф. Решение вышеперечисленных проблем возможно путем проведения мониторинговых работ на объекте, нацеленных на получение параметров геологической среды.

На основе получаемой в процессе мониторинга информации принимаются решения по обеспечению процессов управления добычей минерального сырья, оценке натуральных показателей для назначения величины компенсационных выплат, обеспечению условий полноты выемки запасов полезного ископаемого, предотвращению аварийных ситуаций, снижению негативных последствий эксплуатационных работ на окружающую природную среду, а также контроль за соблюдением требований, установленных при предоставлении недр в пользование.

Реализация такого подхода позволит со временем, по мере обобщения опыта отработки техногенных образований способом подземного

выщелачивания, обосновать необходимые требования к методике их геологического изучения, эксплуатации и рекультивации отработанных участков при минимальном негативном влиянии на окружающую среду.

Рассмотренные выше методы защиты подземных и поверхностных вод дают возможность комплексно эксплуатировать медно-колчеданкые месторождения. Экономическая эффективность процесса выщелачивания техногенных объектов обусловливается незначительной себестоимостью забалансового рудного сырьл. исключением процесса мелкого дробления, меньшими по сравнению с обогатительным предприятием амортизационными отчислениями и расходами реагентов, минимальным количеством обслуживающего персонала.

Еще одним преимуществом широкого использования этого метода является замкнутый цикл производства, заключающийся в том, что объем откачанного на поверхность продукционного раствора, после извлечения из него металла сорбцнонным или иным способом и доукреплеиия реагентом, вновь закачивается в выщелачиваемую породную залежь. Избыток продуктивных растворов, который образуется в результате их разбавления подземными водами, подается на очистку известковым молоком. Однако расход извести, требуемой для нейтрализации кислых вод, значительно сократится по сравнению с традиционными методами очистки, следовательно, процесс нейтрализации будет экономичней.

Так как сульфидные руды выщелачиваются по технологической схеме с использованием в качестве реагента Ре^ЙО^),» регенерируемого естественными процессами, протекающими в техногенном массиве, нет необходимости закупать выщелачивающий реагент. Складирование же отходов обогатительного производства в блнзрасположеняый карьер позволит избежать затрат на транспортировку отходов и на компенсационные выплаты за пользование землей.

Таким образом, извлечение металлов из техногенных отходов способом выщелачивания является высокоэффективным процессом, который позволяет не только предотвратить доступ загрязненных техногенных вод в водные объекты, но и получить товарную продукцию в виде цементной меди.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи по оптативному выявлению загрязнения поверхностных и подземных вод тяжелыми металлами, выносимыми нз техногенных минеральных объектов медыоцинковых месторождений, и разработаны типовые схемы их нейтрализации за счет извлечения из них цветных и драгоценных металлов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Выполнен статистический анализ химического состава рудничных и подотаальных вод, а также фильтрата хвосто хранилищ ряда предприятий цветной промышленности, расположенных на территорий Свердловской, Челябинской, Оренбургской областей и Башкирии, в результате которого было установлено, что содержание в растворах железа, меди и цинка может быть описало уравнениями регрессии, общими для техногенных объекте» медно-цинковой отрасли всего Уральского региона.

2. В результате вывода уравнений множественной корреляции и определения доли детерминированного вклада рН и концентрации железа выявлено, что основным показателем, определяющим концентрацию меди в рассматриваемых типах техногенных растворов, а также концентрацию цинка в рудничных водах, является содержание железа; в фильтрате хвостохраннлищ и подотвальных водах содержание цинка определяет, в основном, величина рН.

3. Для надежной оценки экологической опасности техногенных объектов, связанной с естественными процессами выщелачивания из них тяжелых металлов, достаточно периодического опробования подотвальных, рудничных вод н фильтрата хвостохраннлищ для определения рН и содержания в них железа. Предлагаемая методика при минимальных затратах времени н средств позволяет оценить экологическую опасность каждого техногенного объекта с учетом гранулометрического и минерального состава конкретного накопителя, климатических условий района его расположения, и тем самым обеспечивает возможность принятия обоснованного решения по необходимости его нейтрализации.

4. Установлена прямолинейная корреляция между содержанием в техногенных водах меди и трехвалентного железа, что дает основание для профилактики вымывания токсикантов из отвалов, хвостохранилищ и зон обрушения рудников путем организации их принудительного выщелачивания с получением товарной продукции - цементной меди.

5. Улучшение экологической обстановки территорий, подвергнутых интенсивному воздействию горнодобывающей промышленности, возможно при комплексном подходе к решению проблемы: складирование отходов обогащения в карьерные выемки с последующей рекультивацией с использованием метода подземного выщелачивания. В процессе заполнения жидкими отходами обогащения, а затем при использовании подземного выщелачивания для технического этапа рекультивации, загрязнение поверхностных и подземных вод можно исключить за счет создания депрессионной воронки вокруг выемки. Если же будет обеспечено поддержание зеркала воды в хвостохранилищс ниже местного базиса разгрузки, то подтопление территории и загрязнение подземных вод за пределами депрессионной воронки будет в принципе невозможно.

6. Предлагаемые схемы защиты поверхностных и подземных вод от загрязнения фильтратом техногенных образований при соблюдении природоохранных мер обеспечат защиту территории от отрицательного воздействия загрязненных тяжелыми металлами вод и позволят получить экономическую прибыль от проведения технического этапа ре культивационных работ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жуковская Е.П. Исследование техногенного загрязнения поверхностных и подземных вод Уральского региона // Материалы научно-технического семинара «Вопросы инженерно-геологических, инженерно-экологических и инженерно-геодезических изысканий в Уральском регионе». - Екатеринбург, УРАЛТИСИЗ, 1999г - С. 45-46.

2. 3отсев ВТ., Костерова Т.К., Жуковская Е.П. Методика прогноза содержания токсичных металлов подотвальных вод // Тезисы докладов VI

Международного симпозиума «Чистая вода России - 2001». - Екатеринбург, 2001г.-С. 34-35.

3. Жуковская Е.П. Прогнозная оценка выноса меди и цинка с техногенными водами комбината Гай // Экологические проблемы промышленных регионов. -Екатеринбург, 2001г. - С. 128.

4. Косгерова Т.К., Жуковская Е.П. Методика оценки экологической опасности техногенных объектов // Экологическая безопасность Урала. - Екатеринбург, 2002г. - С. 155-156.

5. Зстеев В.Г., Косгерова Т.К., Жуковская Е.П. Прогноз выноса тяжелых металлов из техногенных объектов атмосферными осадками // Безопасность жизнедеятельности, 2002г. - № 7 - С. 23-27.

6. Новиков В.П., Копылов Д.В., Жуковская Е.П., Четверкин И.А, Особенности организации мониторинга геологической среды на месторождениях, отрабатываемых способом подземного выщелачивания И Материалы международной научно-практичесхой конференции «Техногенная трансформация геологической среды» - Екатеринбург, 2002г. - С.58-59.

7. Жуковская Е.П., Косгерова Т.К. Типовые схемы защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения токсичным фильтратом техногенных месторождений // Тезисы докладов VII Международного симпозиума «Чистая вода России-2003».-Екатеринбург, 2003г.-С. 121-122.

8. Косгерова Т.К., Жуковская Е.П, Экспресс-метод оценки токсичности техногенных отходов // Материалы научно-практической конференции «Проблемы инженерных изысканий для строительства в Уральском регионе». - Екатеринбург, УРАЛТИСИЗ, 2003, - С. 40-41.

Подписано в печать 03 05 2003 г. Формат бумаги 60 х 84 1/16. Печ л. 1,0 _Тираж 100 экз. Заказ _

Информационно-издательский центр Уральская государственная горно-теологическая академия 620144, Екатеринбург, Куйбышева, 30

РНБ Русский фонд

2006-4 37438

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Жуковская, Елена Петровна

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Оценка доли техногенных факторов в общем балансе токсичных металлов, содержащихся в речных водах.

1.2. Современные способы изучения загрязнения подземных и поверхностных вод техногенными образованиями.

1.3. Современные методы переработки и нейтрализации медно-цинковых техногенных образований.

1.4. Задачи и методы дальнейших исследований.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.1. Характеристика хвостохранилищ.

2.2. Характеристика отвалов.

2.3. Характеристика объектов, производящих шахтный и карьерный водоотлив.

2.4. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ВЫНОСА

ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕДНО-ЦИНКОВОГО

ПРОИЗВОДСТВА.

3.1. Общая модель развития геохимических процессов в техногенных отходах при фильтрации через них атмосферных осадков.

3.2. Исследование зависимости концентрации железа, меди и цинка в техногенных растворах от величины водородного показателя.

3.3. Оценка взаимного влияния металлов на их содержание в техногенных растворах

3.4. Вывод уравнений множественной корреляции для оценки содержания меди и цинка в фильтрате хвостохранилищ, подотвальных и рудничных водах.

3.5. Методические рекомендации по оценке выноса тяжелых металлов из техногенных объектов атмосферными осадками.

3.6. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАЛЕНТНОСТИ ЖЕЛЕЗА НА СОДЕРЖАНИЕ МЕДИ

И ЦИНКА В ПОДОТВАЛЬНЫХ И РУДНИЧНЫХ ВОДАХ.

4.1. Анализ результатов исследований по оценке влияния валентности железа на содержание меди и цинка в подотвальных и рудничных водах.

4.2. Исследование корреляционных зависимостей содержания меди и цинка от концентрации трех- и двухвалентного железа в техногенных растворах.

4.3. Оценка возможности извлечения меди из техногенных образований за счет управления процессами окисления железа.

4.4. Выводы.

5. РАЗРАБОТКА ТИПОВЫХ СХЕМ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫМИ ФИЛЬТРАТАМИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ.

5.1. Переработка и консервация отходов медно-цинковых руд, складируемых в выработки отработанных карьеров (на примере карьера № 2 Гайского ГОКа).

5.2. Защита поверхностных и подземных вод от загрязнения фильтратом законсервированных отвалов и хвостохранилищ (на примере хвостохранилища 1 Гайского ГОКа).

5.3. Очистка поверхностных и подземных вод территорий, окружающих подземные рудники после их консервации (на примере Дегтярского рудника).

5.4. Организация мониторинга при проведении работ по защите подземных и поверхностных вод от загрязнения стоком техногенных объектов.

5.5. Экономическая эффективность технического этапа рекультивации при использовании геотехнологических методов.

5.6. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методика оперативной оценки экологической опасности отходов при разработке медно-цинковых месторождений Урала и перспективные способы их нейтрализации"

Актуальность работы

На территории Свердловской, Челябинской, Оренбургской областей и Башкортостана накоплено значительное количество техногенных отходов, образующихся при добыче и переработке медноколчеданных руд. Во всех рудных и вмещающих породах разрабатываемых медноколчеданных месторождений содержатся сульфидные минералы (пирит, халькопирит, сфалерит и др.), поэтому отвалы, хвостохранилища и водоотливы этих рудников являются постоянными источниками выноса тяжелых металлов в поверхностные и подземные воды.

С рудничными водами и фильтратом с отвалов и хвостохранилищ медно-цинковых месторождений, расположенных только на территории Свердловской области, в поверхностные и подземные воды ежегодно поступает около 1180 т меди, 3180 т цинка и 12 тыс. т железа, хотя общая масса этих накоплений составляет 240 млн. т, при общей массе отходов 8,9 млрд. т, или 2,7 % [19]. При существующих темпах растворения атмосферными осадками содержащихся в этих отходах металлов и выноса их в подземные и поверхностные воды имеющийся уровень загрязнения речных вод даже при полной остановке горнометаллургического производства сохранится на сотни лет [19, 30, 34, 67, 89]. Снижение же существующего уровня загрязнения может быть достигнуто лишь при условии ликвидации объектов-загрязнителей, или их изоляции от атмосферных осадков.

Гидроизоляция отвалов и хвостохранилищ при их рекультивации требует больших капиталовложений, однако при существующей экономической ситуации выделение таких средств практически невозможно, поэтому необходимо выделить хотя бы наиболее опасные объекты, подлежащие первоочередному обезвреживанию. Для адекватной экспертной оценки степени опасности того или иного объекта необходимо располагать достоверными данными по большинству из них: не только по горнодобывающим предприятиям, прекратившим свою деятельность, но и по действующим ГОКам из-за отсутствия на них мониторинга геологической среды. Более того, с учетом отсутствия методических указаний по определению режима наблюдений и перечня токсикантов, концентрация которых подлежит определению для конкретных объектов, даже при наличии наблюдений за техногенными образованиями, данные по количеству и составу токсикантов, выносимых атмосферными осадками из техногенных образований, могут быть получены лишь через несколько лет, а для заброшенных объектов такие данные получить в принципе трудноосуществимо.

В связи с вышесказанным разработку расчетного метода определения интенсивности выноса тяжелых металлов из техногенных отходов горного производства, базирующегося на статистическом анализе, следует считать актуальной задачей исследований.

Цель работы - разработка оперативной методики оценки экологической опасности техногенных объектов и обоснование выбора природоохранных технологий для защиты поверхностных и подземных вод от их влияния. j

Идея работы заключается в обосновании возможности оценки токсичности техногенных медно-цинковых образований по водородному показателю и содержанию ионов железа в их фильтрате.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- систематизация данных по минеральному и химическому составу техногенных отходов и рудничных вод медно-цинковых месторождений, находящихся на территории Уральского региона, времени их складирования, а также химическому составу и кислотности фильтрата, образующегося в процессе проникновения в них атмосферных осадков;

- установление основных факторов, определяющих концентрацию тяжелых металлов в растворах, и уравнений множественной корреляции, описывающих эту связь;

- оценка окислительной роли железа в выщелачивании сульфидов при изменении его валентности;

- разработка принципиальных технологических схем нейтрализации экологически опасных объектов за счет извлечения из них тяжелых металлов.

Научные положения, представленные к защите:

1. Корреляционные уравнения, полученные при статистической обработке данных химического состава рудничных вод и фильтрата отвалов и хвостохранилищ, образовавшихся при разработке медно-цинковых месторождений Урала, обеспечивают возможность определения содержания в воде токсичных металлов по водородному показателю раствора и содержанию в нем ионов железа.

2. Предлагаемая методика оценки токсичности фильтрата обеспечивает возможность оперативной оценки экологической опасности техногенных медно-цинковых образований.

3. Разработанные типовые технологические схемы могут быть использованы для рекультивации техногенных образований при минимизации затрат за счет попутного извлечения металлов и устранения риска вторичного загрязнения поверхностных и подземных вод.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована статистической обработкой данных химического, минерального состава отходов горнодобывающей промышленности, математической обработкой полученных результатов, а также высокой сходимостью расчетных и фактических данных химического состава техногенных вод.

Научная новизна работы

1. Впервые на основе химического состава фильтрата отвалов, хвостохранилищ и рудничных вод медно-цинковых месторождений Урала получены уравнения, обеспечивающие возможность определения концентрации токсичных металлов в растворах по величине их водородного показателя и содержанию железа.

2. Разработана методика, позволяющая провести оперативную оценку экологической опасности техногенных объектов на момент их экспертного обследования для принятия обоснованного решения по необходимости их нейтрализации.

3. Выполнена количественная оценка роли трехвалентного железа в выщелачивании меди из отвалов и законсервированных рудников медно-цинковых месторождений Уральского региона.

Практическая ценность работы

1. Для надежной оценки экологической опасности техногенных объектов, связанной с естественными процессами выветривания и выщелачивания из них тяжелых металлов, достаточно периодического опробования подотвальных, шахтных вод и фильтрата хвостохранилищ для определения величины рН и содержания в них железа.

2. Установлены корреляционные уравнения позволяющие вычислить содержания меди, цинка и железа в техногенных водах при минимальных затратах времени и средств с целью оценки экологической опасности техногенного объекта.

3. Разработан комплект типовых технологических схем нейтрализации техногенных образований, обеспечивающих минимизацию затрат на их рекультивацию за счет прибыли от извлечения цветных металлов с использованием в качестве выщелачивающего реагента Fe2(S04)3, регенерируемого внутренней средой техногенного массива, и исключающих риск загрязнения поверхностных и подземных вод при переработке отходов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. «Чистая вода России - 2001» - Екатеринбург, 2001 г.

2. «Экологическая безопасность Урала» - Екатеринбург, 2002 г.

3. «Инженерная защита окружающей среды» - Москва, МГГГУ, 2002 г.

4. «Техногенная трансформация геологической среды» - Екатеринбург, 2002 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Ш)

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 46 таблиц и 21 рисунок.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Жуковская, Елена Петровна

5.6. Выводы

1. Эффективным с экологической и экономической точек зрения направлением охраны подземных и поверхностных вод от загрязнения тяжелыми металлами является профилактика вымывания токсикантов из отвалов, хвостохранилищ и зон обрушения рудников путем организации их принудительного выщелачивания. Такой подход позволяет решить не только экологическую проблему, но и осуществить рентабельное производство путем переработки бедного забалансового сырья с получением товарной продукции -цементной меди.

2. Улучшение экологической обстановки территорий, подвергнутых интенсивному воздействию горнодобывающей промышленности, таких как Гайский район, возможно при комплексном подходе к решению проблемы: складирование отходов обогащения в карьерные выемки с последующей рекультивацией с использованием метода подземного выщелачивания. В процессе заполнения жидкими отходами обогащения, а затем при использовании подземного выщелачивания для технического этапа рекультивации, о загрязнение поверхностных и подземных вод можно исключить за счет создания депрессионной воронки вокруг выемки. Если же будет обеспечено поддержание зеркала воды в хвостохранилище ниже местного базиса разгрузки, то подтопление территории и загрязнение подземных вод за пределами депрессионной воронки будет в принципе невозможно.

3. Трехвалентное железо в качестве выщелачивающего реагента для растворения ценных компонентов является окислителем, созданным под влиянием естественной^среды, и дает возможность не использовать дополнительные агрессивные реагенты, оказывающие негативное влияние на компоненты окружающей среды.

4. При соблюдении природоохранных мер предлагаемые схемы извлечения меди из отходов обогащения сульфидных руд, заскладированных в карьер и в хвостохранилище наземного типа на Гайском ГОКе, а также из зоны обрушения Дегтярского рудника обеспечат защиту территории от негативного влияния загрязненных тяжелыми металлами вод и позволят получить экономическую прибыль от проведения технического этапа рекультивационных работ.

5. После выщелачивания техногенных объектов остаточное количество цветных металлов переходит в практически нерастворимое состояние и экологической опасности не представляет, поэтому оставшаяся порода подлежит рекультивации распространенными способами - планировка поверхности, создание противофильтрационного экрана, устройство дренирующего слоя и посев растительности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи по оперативному выявлению загрязнения поверхностных и подземных вод тяжелыми металлами, выносимыми из техногенных минеральных объектов, и разработаны типовые схемы их нейтрализации за счет извлечения из них цветных и драгоценных металлов.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Выполнен статистический анализ химического состава рудничных и подотвальных вод, а также фильтрата хвостохранилищ ряда предприятий цветной промышленности, расположенных на территорий Свердловской, Челябинской, Оренбургской областей и Башкирии, в результате которого было установлено, что содержание в растворах железа, меди и цинка может быть описано уравнениями регрессии, общими для техногенных объектов медно-цинковой отрасли всего Уральского региона.

2. В результате вывода уравнений множественной корреляции и определения доли детерминированного вклада рН и концентрации железа выявлено, что основным показателем, определяющим концентрацию меди в рассматриваемых типах техногенных растворов, а также концентрацию цинка в рудничных водах, является содержание железа; в фильтрате хвостохранилищ и подотвальных водах содержание цинка определяет, в основном,величина рН.

3. Для надежной оценки экологической опасности техногенных объектов, связанной с естественными процессами выщелачивания из них тяжелых металлов, достаточно периодического опробования подотвальных, рудничных вод и фильтрата хвостохранилищ для определения рН и содержания в них железа общего и трехвалентного. Предлагаемая методика при минимальных затратах времени и средств позволяет оценить экологическую опасность каждого техногенного объекта с учетом гранулометрического и минерального состава конкретного накопителя, климатических условий района его расположения, и тем самым обеспечивает возможность принятия обоснованного решения по необходимости его нейтрализации.

4. Установлена прямолинейная корреляция между содержанием в техногенных водах меди и трехвалентного железа, что дает основание для профилактики вымывания токсикантов из отвалов, хвостохранилищ и зон обрушения рудников путем организации их принудительного выщелачивания с получением товарной продукции - цементной меди.

5. Улучшение экологической обстановки территорий, подвергнутых интенсивному воздействию горнодобывающей промышленности возможно при комплексном подходе к решению проблемы: складирование отходов обогащения в карьерные выемки с последующей рекультивацией с использованием метода подземного выщелачивания. В процессе заполнения жидкими отходами обогащения, а затем при использовании подземного выщелачивания для технического этапа рекультивации, загрязнение поверхностных и подземных вод можно исключить за счет создания депрессионной воронки вокруг выемки. Если же будет обеспечено поддержание зеркала воды в хвостохранилище ниже местного базиса разгрузки, то подтопление территории и загрязнение подземных вод за пределами депрессионной воронки будет в принципе невозможно.

6. Предлагаемые схемы защиты поверхностных и подземных вод от загрязнения фильтратом техногенных образований при соблюдении природоохранных мер обеспечат защиту территории от отрицательного воздействия загрязненных тяжелыми металлами вод и позволят получить экономическую прибыль от проведения технического этапа рекультивационных работ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Жуковская, Елена Петровна, Екатеринбург

1. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 444 с.

2. Алтунин B.C., Белавцева Т.М. Контроль качества воды: Справочник. М.: Колос, 1993. - 367 с.

3. Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е. Гидрогеологическое обоснование защиты подземных вод и водозаборов от загрязнений. М.: Недра, 1972. - 128 с.

4. Бродский А.А. Гидрохимический метод поисков меди. М.: Госгеолтехиздат, 1956. - 56 с.

5. Бродский А.А. Гидрохимический метод поисков рудных месторождений. М.: ВСЕГИНГЕО, 1957.-56 с.

6. Водосбор. Управление водными ресурсами на водосборе / Под редакцией A.M. Черняева; РосНИИВХ. Екатеринбург: Изд-во «Виктор», 1994. - 160 с.

7. Вострокнутов А.Г. Предварительная разведка подземных вод, каптированных горными выработками Дегтярского рудника, для технического водоснабжения предприятий в городе Дегтярске Свердловской области. Свердловск, 1989.

8. Вострокнутов Г. А., Гавришин А. И. Использование методов математической статистики при анализе и обобщении геохимических данных. Обзор. Серия: Геология, методы поисков и разведки металлических месторождений полезных ископаемых. -М.,ВИЭМС, 1972,- 36 с.

9. Временный классификатор токсичных промышленных отходов и методические рекомендации по определению класса токсичности промышленных отходов. М., Минздрав СССР, ГКНТ СССР, 1987.

10. Гальперин A.M., Ферстер В., Шеф Х.-Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды. М., МГГУ, 1997. - 534 с.

11. Гаррелс P.M., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир,1968. - 368 с.

12. Гидрогеологическое заключение Уральской гидрогеологической экспедиции от 08.11.94г. № 10128 о ликвидации Дегтярского медного рудника

13. Голева Г.А. Гидрохимические поиски скрытого оруденения. М.: Недра, 1968. - 292 с.

14. Голомзик А.И., Каравайко Г. И. и др. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд. М.: Наука, 1972. - 248 с.

15. Голъдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. М.: Недра, 1984. - 262 с.

16. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды и влияния среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 1996 г. Екатеринбург, 1997. -240 с.

17. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды и влияния среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 1997 г. Екатеринбург, 1998. - 269 с.

18. Грязное О.Н., Палкин С.В., Новиков В.П., Вострокнутов А.Г., Катаев A.M. Дренажные воды источник техногенного гидроминерального сырья на Урале // Известия вузов. Горный журнал, 1997, № 11-12. - С.58-65

19. Емлин Э. Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. Свердловск: УрГУ, 1991. -256 с.

20. Жуковская Е.П. Прогнозная оценка выноса меди и цинка с техногенными водами комбината Гай // Экологические проблемы промышленных регионов. Екатеринбург, 2001.-С. 128.

21. Зайнуллин Х.Н. Бурибаевское рудоуправление как модельный объект влияния на подземные и поверхностные воды горнорудных предприятий Южного Урала // Материалы международного симпозиума «Чистая вода России 97». - Екатеринбург: Виктор, 1997. - С.35-36.26