Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Охрана и предотвращение загрязнения водных объектов от стока с техногенных образований
ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов
Автореферат диссертации по теме "Охрана и предотвращение загрязнения водных объектов от стока с техногенных образований"
ГГо од
РЫБАКОВ ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
ОХРАНА И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ СТОКА С ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов ■05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Екатеринбург 1998
На правах рукописи
»
РЫБАКОВ ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
ОХРАНА И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ СТОКА С ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов 05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Екатеринбург 1998
Работа выполнена в отделе защиты водных объектов от загрязнения с водосборной территории "РосНИИВХ", лаборатории гидрометаллургических процессов института "Унипромедь", лаборатории геотехнологии института "Гидроцветмет".
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор В.Г.Зотеев * доктор технических наук О.М.Розенталь
доктор технических наук А.В.Гальянов
Ведущая организация:
Институт проблем прикладной экологии и природопользования МЧС и экобезопасности Республики Башкортостан (г. Уфа).
Защита состоится " ^¿5" 1998 г. в часов на засе-
дании диссертационного совета Д 099.01.01 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 "У0" СХ-Уч^-елД 1998 г.
Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Мира, 23, РосНИИВХ.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 099.01.01
Р.В.Булатов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследований. Интенсивность развития промышленности приводит к образованию таких загрязнителей окружающей среды, как газовые выбросы, сточные воды и техногенные образования. Если с газовыми выбросами и сточными водами предприятия в той или иной степени пытаются бороться, используя известные технологии, то для техногенных образований, находящихся за пределами санитарной зоны (на техногенной провинции), применить эти технологии не всегда представляется возможным. Как правило, сток, формирующийся на техногенной провинции и имеющий контакт с техногенными образованиями, загрязняется металлами, сульфат- и хлор-ионами, другими компонентами, содержание которых значительно превышает ПДК. В таком стоке на ряде обследованных нами предприятий, например, содержание меди, цинка и железа достигает 100-500 мг/дм3, что в сотни тысяч раз превышает ПДК для рыбохозяйственного водоема. За год с техногенных образований в водные объекты поступает более одного миллиона тонн химических веществ, в том числе крайне опасных тяжелых и редких металлов, что приводит к значительному загрязнению водных источников. Наибольшую опасность для водных источников представляют отвалы труднообогатимых и забалансовых руд и минерализованных пород горнодобывающих предприятий, в особенности цветной металлургии, содержащие значительное количество загрязняющих элементов и соединений.
Как показало наше обследование, сток с отвалов, носящий рассеянный (диффузный) характер, практически без очистки попадает в водные объекты. В итоге такого воздействия многие водные объекты, в первую очередь реки, протекающие по техногенной провинции, значительно загрязнены ингредиентами стока. В результате качество вод в таких водных источниках повсеместно не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям. Все это приводит к загрязнению и питьевых источников. Питьевая вода в районах действия горнодобывающих предприятий не соответствует ГОСТу, что сказывается на здоровье населения. Так, на-
пример, средняя продолжительность жизни мужчин в Западной Европе более 74 лет, в среднем по России - более 60 лет, а на индустриальном Урале почти на 10 лет меньше.
Применяемые на ряде предприятий методы очистки стока, сформированного на этих техногенных образованиях, направлены на борьбу со следствием, а не с причиной загрязнения, заложенной в самих отвалах. Выше перечисленное делает проблему защиты водных объектов от загрязнения очевидной и первоочередной. Поэтому актуальной задачей становится проведение исследований по очистке техногенных образований от загрязнителей (химической рекультивации) и на их основе разработка технологий для защиты водных объектов от загрязнения.
Объектом исследования является природно-техногенный комплекс «отвал - водный объект» (отвалы руд и пород цветной металлургии), как источник техногенного загрязнения.
Предметом исследования является динамика процессов концентрации загрязнителей в стоке с отвалов и способы их очистки.
Цель работы - исследование общих закономерностей процессов очистки отвалов от загрязнения и разработка технологий для защиты водных объектов от экологически опасных техногенных образований.
Идея работы состоит в использовании приемов и методов кучного выщелачивания для обезвреживания отвалов руд и минерализованных пород.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить экологическое состояние районов складирования отвалов на предприятиях цветной металлургии и установить основные загрязнители водных объектов;
- изучить физико-химические характеристики руд и пород и закономерности выщелачивания из них загрязняющих ингредиентов;
- классифицировать отвалы по степени их опасности для водных объектов;
- установить оптимальные технологические режимы принудительного выщелачивания основных загрязнителей для каждого класса руд и пород;
- разработать методы прогноза качества стока, сформированного на отвалах руд и пород;
- разработать и обосновать технологические схемы защиты водных объектов от загрязнения стоком с отвалов руд и пород.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы научного познания, теоретическое обобщение современных знаний и представлений о процессах формирования качества сточных вод с техногенных образований и способах их очистки, лабораторные исследования процессов выщелачивания загрязнителей из руд и пород, испытание разработанных технологий в полупромышленном и опытно-промышленном масштабах.
По результатам выполненных исследований сформулированы следующие научные положения:
Извлечение загрязняющих ингредиентов при химической рекультивации прямо зависит от скорости растворения минералов в рудах и породах, что определяет стадиальность процесса их выщелачивания: 1 стадия - нейтрализация основных породообразующих минералов; 2 стадия - интенсивное растворение легкорастворимых минералов; 3 стадия -медленное растворение первичных минералов.
Воздействие комбинированного электрического поля напряженностью от 2,5 до 16 В/см повышает степень извлечения загрязнителей при химической рекультивации в 1,5-2,0 раза, а скорость выщелачивания в 5-7 раз.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обоснованы результатами теоретических исследований, статистической обработкой данных химического, минералогического, фазового анализов, применением методов математического планирования экспериментов, математической обработки полученных результатов, обобщения полученных данных графоаналитическим методом и подтверждены результатами полупромышленных и опытно-промышленных испытаний.
На защиту выносятся:
- концептуальные и методологические основы защиты водных объектов от загрязнения техногенными образованиями цветной металлургии;
- применение химической рекультивации и кучного выщелачивания для очистки техногенных образований от легкорастворимых ингредиентов, загрязняющих водные объекты;
- результаты изучения процессов очистки техногенных образований от легкорастворимых ингредиентов - загрязнителей;
- применение электрических полей для интенсификации процессов очистки техногенных образований от загрязнителей;
- технологические схемы химической рекультивации техногенных образований - метода защиты водных объектов от загрязнения.
Научная новизна. Впервые разработаны концептуальные и методологические основы защиты водных объектов от загрязнения стоком, сформированным на техногенных образованиях предприятий цветной металлургии.
Разработаны методы прогноза качества стока, сформированного на техногенных образованиях предприятий цветной металлургии.
Разработана двух стадийная химическая рекультивация отвалов, как метода зашиты водных объектов от загрязнения, включающая на первой стадии выщелачивание легкорастворимых загрязнителей, а на второй -перевод их в малорастворимые формы.
Для медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд установлена стадиальность процесса выщелачивания загрязняющих ингредиентов. Она выражается в изменении скорости извлечения загрязнителей из твердой фазы.
Установлены закономерности и оптимальные параметры выщелачивания металлов-загрязнителей из руд и пород.
Впервые установлено, что наложение на систему руда-раствор комбинированного электрического поля (одновременное наложение постоянного и высокочастотного токов) интенсифицирует процесс выщелачивания загрязнителей из техногенных образований.
Практическая значимость. На основании научных результатов диссертации выполнены разработки по созданию новой технологии и аппаратурного оформления для защиты водных объектов от загрязнения техногенными образованиями.
Также выполнены разработки, позволяющие осуществлять прогноз качества стока с отвалов руд и пород. В частности разработаны:
- методика опробования руд и пород;
- методика проведения исследований выщелачивания руд и минерализованных пород;
- методика расчета скорости выщелачивания основных загрязнителей.
Впервые разработаны принципиальные технологические схемы по защите водных объектов от загрязнения отвалами медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд и пород.
Разработаны технологические регламенты на проектирование участков химической рекультивации отвалов руд и минерализованных пород для конкретных предприятий: Николаевского рудника Восточно-Казахстанского медно-химического комбината (ВК МХК), Салаирского, Гайс-
кого , Жирекенского, Алтайского горно-обогатительных комбинатов (ГОК), Кедабекского, Бугдаинского, Бощекульского, Левихинского и Жарчихин-ского месторождений.
Разработки защищены 22 авторскими свидетельствами СССР и одним положительным решением на выдачу патента России.
Полученные результаты способствуют решению важной народно-хозяйственной проблемы - защите водных объектов от загрязнения техногенными образованиями, обеспечивающую их очистку, утилизацию и извлечение загрязняющих ингредиентов в товарную продукцию.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на Всесоюзных семинарах по использованию электрических и магнитных полей в технологических процессах, Новочеркасск, 1974; Полтава, 1975; II и III Всесоюзных конференциях по геотехнологическим методам добычи полезных ископаемых, Москва, 1976, 1983; Всесоюзных конференциях «Комплексные исследования физических свойств горных пород» и «Совершенствование гидрометаллургических процессов и оборудования в металлургии тяжелых и цветных металлов», Москва, 1977; Научно-техническом совещании «Использование отходов и промпродук-тов металлургического производства с целью повышения комплексности использования сырья и уменьшения вредных выбросов в окружающую среду», Ереван, 1982; Всесоюзном научно-техническом совещании «Интенсификация процессов вскрытия и выщелачивания при переработке трудно перерабатываемого сырья цветных и редких металлов», Новосибирск, 1984, 1987; IX Всесоюзном совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле, Алма-Ата, 1986; Научно-технических конференциях «Технологические пути решения природоохранных задач в производстве тяжелых цветных металлов» и «Внедрение ресурсосберегающих, безотходных и малоотходных технологических процессов - основное направление научно-технического прогресса в охране окружающей среды», Свердловск, 1986, 1987; III Всесоюзном совещании по химии и технологии халькогенов и халькогенидов, Караганда, 1986; II Национальной научно-технической конференции с международным участием "Технологические, технико-экономические и экологические проблемы минеральной биотехнологии", Пазарджик (Болгария), 1986; Международном семинаре «Кучное и подземное бактериальное выщелачивание металлов из руд», Ленинград, 1987; Всесоюзной конференции «Горнодобывающие комплексы Сибири и их минерально-сырьевая база», Чита, 1990; Всероссийских научно-практических конференци-
ях, проводимых в РосНИИВХ, Екатеринбург, 1993, 1994, 1996, 1997; Научно-практических конференциях «Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий», Уфа, 1994, 1996; Республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы республики Татарстан», Казань, 1995; международных конференциях в г. Екатеринбурге: "Чистая вода России", 1996, 1997, "Уралэколо-гия-97", "Техноген-97" и других.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературных источников из 316 наименований, содержит 58 таблиц, 67 рисунков. Содержание диссертации изложено на 303 страницах машинописного текста.
Автор выражает благодарность А.М.Черняеву, Б.Д.Халезову, М.П.Дапь-кову, В.И.Ермакову, Н.В.Перову, А.А.Болтыровой, А.Т.Горе, коллективу отдела защиты водных объектов от загрязнения с водосборной территории "РосНИИВХ" за ряд полезных советов и помощь при выполнении работы
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель, задачи исследований и'научные положения, показаны научная новизна и практическая значимость работы.
1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ
В результате добычи и переработки полезных ископаемых, в особенности при открытых горных работах, предприятиями цветной и черной металлургии, химической и угольной промышленности сотни тысяч гектаров водосборных территорий засыпаются отвалами различных техногенных образований. При этом промышленные разработки изменяют рельеф местности, характер и структуру ландшафта, гидрологический режим, почвы и растительный покров. К техногенным образованиям предприятий горнодобывающей и металлургической промышленности относятся отвалы и терриконы забалансовых руд, минерализованных пород, шлако- и золоотвалы, горные выработки, действующие и законсервированные шламо- и хвостохранилища станций нейтрализации и обогатительных фабрик и другие новообразования. Наибольшую угрозу водным объектам представляют отвалы руд и минерализованных пород
цветной металлургии. В сточных водах, вытекающих из-под таких отвалов, на обследованных нами предприятиях (Гайский, Салаирский, Учалинский ГОКи, Кировградский и Красноуральский МК, Медногорский и Башкирский МСК и ряд других) содержание меди, цинка и железа достигает 100-500 мг/дм3. Применяемые методы очистки стока не эффективны по причине того, что они направлены на борьбу со следствием, а не с причиной загрязнения, заложенной в техногенных образованиях. Так на отдельных предприятиях применяются такие методы очистки как нейтрализация известью,, а в том случае когда, например, содержание меди превышает 50 мг/дм3, применяют цементацию ее на железном скрапе. Других более совершенных технологий очистки стока на предприятиях мы не обнаружили. Из литературных источников известны разработки по очистке таких вод реагентными методами, а также сорбцией и экстракцией (A.M. Копанев, Б.Д. Халезов, Г.А. Ягодин, В.А. Горшков, Ю.Б. Холманских и др.). Наиболее перспективными для очистки вод являются сорбционные методы, так как с их помощью может быть произведена наиболее глубокая очистка вод. При этом никаких загрязнителей в очищаемые воды не вносится. Но применение сорбцион-ных методов сдерживается дороговизной сорбентов, которые экономически выгодно применять для более концентрированных растворов, которые можно получить, например, при кучном выщелачивании.
В итоге сточные воды, сформированные на техногенных образованиях, практически без очистки попадают в водные объекты, что приводит к их значительному загрязнению.
Одним из наиболее радикальных способов борьбы с загрязнением стока, сформированного на техногенных образованиях, для защиты водных объектов и улучшения ландшафтов, по нашему мнению, является рекультивация. Анализ опубликованных материалов по рекультивации (Г.И. Махо-нина, Л.В. Моторина, В.Д. Максимов, Н.П. Тарханова, H.A. Лукьянец и др.), однако, показал, что в них основное внимание уделяется частным проблемам, таким как процессы почвообразования и восстановления растительного покрова. Для отвалов же руд и пород не должно быть иллюзий о возможном естественном самозарастании. Для них важное значение имеет не столько биологическая рекультивация, сколько процессы извлечения легкорастворимых элементов-загрязнителей и подготовка поверхности отвала к зарастанию. Поэтому на таких отвалах необходимо осуществить три этапа рекультивации: горнотехническую, химическую и биологическую (Л.В. Моторина, В.А. Овчинников, Н.И. Плотников и др.). Химическую рекультивацию можно осуществить с применением приемов и методов кучного выще-
лачивания, которое позволит не только защитить водные объекты от загрязненного стока с отвалов, но и извлечь из них цветные металлы в товарную продукцию и подготовить отвал к биологической рекультивации. Идея применения методов геотехнологии для природоохранных целей была высказана в свое время А.И. Калабиным, В.Ж. Аренсом, Б.Д. Халезовым и автором диссертации. Таким образом, кучное выщелачивание как метод химической рекультивации позволяет решать проблему охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
Главным недостатком кучного выщелачивания является низкая скорость протекания процесса. Интенсивность перехода загрязнителей в раствор зависит от химического и минералогического состава руды. Значительное влияние на извлечение загрязняющих элементов оказывают такие параметры выщелачивания, как концентрация реагентов, количество орошающих растворов (плотность орошения), пауза между орошениями. Скорость процесса выщелачивания зависит также от оптимальной рудоподготовки, состава растворов и от физико-химических факторов, сопровождающих процесс. Рудоподготовка определяет гранулометрический состав породы, способы ее складирования и другие приемы горнотехнической рекультивации.
Основной задачей на стадии подготовки выщелачивающих вод и растворов является разработка эффективного способа регенерации окислителей и растворителей, а также вывода из оборотных растворов загрязнителей в товарную продукцию или в виде нерастворимых.соединений, пригодных для захоронения.
Применение для интенсификации выщелачивания ультразвука, гамма- и рентгеновского облучения затруднены сложностью их осуществления. Использование для этих целей высокочастотного воздействия и постоянных токов требует доработки вопроса в части увеличения мощности, КПД установок и безопасных условий работы. Поэтому основные мероприятия по интенсификации выщелачивания направлены на выбор эффективных и безопасных растворителей, оптимизацию процесса. В ряде случаев возможно для целей интенсификации применение электрического тока.
2. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РАЙОНОВ СКЛАДИРОВАНИЯ ОТВАЛОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Для разработки способов защиты водных объектов от загрязнения стоком с техногенных образований нами было обследовано 31 пред-
приятие цветной металлургии. В результате проведенного обследования районов складирования отвалов забалансовых руд и минерализованных пород медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых рудников установлено, что на всех обследованных рудниках стоит проблема защиты водных объектов от загрязненного стока, сформированного на этих отвалах . Этот сток, формирующийся на отвалах за счет естественного выщелачивания загрязнен элементами, содержащимися в рудах месторождения:
- в основном сток загрязнен медью, цинком, железом, сульфатами;
- в меньшей степени сток загрязняется молибденом, вольфрамом, свинцом из-за слабой их растворимости в дождевых и талых водах.
Для защиты водных объектов от загрязненного стока на обследованных рудниках применяют цементацию меди железным скрапом, нейтрализацию известковым молоком или смешение этого стока с водной составляющей хвостохранилищ обогатительных фабрик. Кроме меди другие элементы в товарную продукцию из загрязненного стока не извлекаются.
В результате цементации, нейтрализации, смешения сток очищается от загрязнителей до концентраций значительно превышающих ПДК. Это означает, что загрязнение водных объектов продолжается даже после применения указанных средств защиты. Поэтому необходимо проведение работ по горнотехнической, химической и биологической рекультивации, которые позволят очистить техногенные образования от хорошо растворимых загрязнителей и подготовить их для дальнейшего целевого использования, а это позволит надежно защитить водные объекты от загрязнения.
Также в результате проведенного обследования было показано, что в процессе разработки мероприятий по защите водных объектов от загрязнения стоком с техногенных образований необходимо учитывать всю цепь образования стока и его поступления в водный объект: газо-воз-душная среда - атмосферные осадки - инфильтрация атмосферных вод - выщелачивание металлов из минерализованной породы - образование загрязненного стока - загрязнение водного объекта этим стоком.
Улучшение качества газо-воздушной среды зависит от природоохранных мероприятий, осуществляемых в металлургических и химических цехах предприятий, находящихся вблизи техногенной провинции. Эти мероприятия достаточно хорошо разработаны. Поэтому они не входят в задачу наших исследований.
Приемы снижения количества вод, протекающих через техногенную провинцию, сбора их для дальнейшей переработки и очистки также достаточно очевидны и решаемы на стадии горнотехнической рекультивации.
Наибольшую сложность представляют проблемы, связанные с инфильтрацией вод через техногенное образование и выщелачиванием при этом загрязняющих веществ из минерализованных пород. Эти вопросы из-за своей сложности, по нашему мнению, разработаны недостаточно и требуют дальнейшей проработки.
Геотехнологами вопросы принудительного выщелачивания цветных металлов из руд с применением различных реагентов изучались достаточно подробно. Однако цель этих работ сводилась к разработке способов селективного, экономически выгодного и наиболее полного извлечения отдельных металлов, что приводило к отдельных случаях к необходимости использования регентов, например, цианидов, роданидов, азотной кислоты и других, которые значительно загрязняли территорию вокруг техногенного образования и являлись более опасными потенциальными загрязнителями, чем металлы в породе отвалов.
Для геотехнологических методов переработки руд творческим коллективом, в который входил автор диссертации, разработана классификация руд месторождений по степени благоприятности их, например, к кучному выщелачиванию, обобщенная Халезовым Б.Д. для медных руд.
Используя указанную классификацию априори можно установить не только пригодность того или иного объекта к отработке геотехнологическими методами, но и сделать геолого-экономическую оценку эффективности такой отработки. На основании указанной классификации руды и месторождения пригодные для выщелачивания'были подразделены на геотехнологические типы. Основными признаками, положенными в основу выделения геотехнологических типов руд являются: содержание оксидов металлов, характер текстур и структур, вмещающих пород, содержание попутных компонентов, гранулометрический состав.
Однако при разработке мероприятий по защите водных объектов от загрязнения стоком с техногенных образований мы не имеет права выбора объекта для рекультивации. Рекультивации должны быть подвергнуты все отвалы и другие техногенные образования. При разработке же технологии рекультивации мы в той или иной степени можем пользоваться описанной выше геотехнологической классификацией, которая требует, однако, доработки и уточнения.
Поэтому задачу химической рекультивации можно сформулировать следующим образом. Она должна быть направлена на извлечение всех легко растворимых загрязняющих веществ из техногенного образования без применения токсичных реагентов и без увеличения загрязняющей активности техногенного образования в период химической рекультивации. Вторая задача химической рекультивации - подготовка поверхности отвала к биологической рекультивации.
Исходя из этой задачи нами было предложена другая классификация руд и пород, объединяющая их по степени опасности для окружающей среды и по технологическим свойствам при очистке от экологически опасных металлов. Руды и породы в ней объединены в следующие классы:
Руды и породы медных месторождений:
- медные, залегающие в породах кислого состава;
- медные, залегающие в основных и карбонатных породах;
- медные, залегающие в глинистых породах;
Руды и породы медно-цинковых месторождений:
- медно-цинковые метаколлоидные руды;
- медно-цинковые, залегающие в породах кислого состава;
- медно-цинковые, залегающие в породах основного состава;
Руды и породы свинцово-цинковых месторождений:
- свинцово-цинковые, залегающие в породах кислого состава;
- свинцово-цинковые, залегающие в основных и карбонатных породах;
Руды и породы молибденовых месторождений:
- окисленные руды и породы;
- породы, содержащие сульфидные руды.
3. МЕТОДИКИ ОПРОБОВАНИЯ ОТВАЛОВ ГОРНЫХ ПОРОД И ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ХИМИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
В процессе отработки месторождений открытым способом в отвалах скапливаются значительные запасы забалансовых руд и минерализованных пород, содержащие большое количество цветных металлов и железа. Эти отвалы складированы без достаточно надежного опробования. К тому же за счет активного воздействия климатических условий, выветривания и естественного выщелачивания вещественный состав отсыпанной горной массы с течением времени изменяется. Поэтому оп-
тимальный способ рекультивации таких отвалов может быть рекомендован только после определения современного состояния вещественного состава горной массы с отбором и формированием представительных проб и проведения технологических исследований.
Действующий в настоящее время стандарт на отбор и подготовку проб для определения химического состава руд и концентратов цветных металлов касается вопросов опробования движущейся рудной массы. Уже разработано ряд методик проведения опробования породных и рудных отвалов (Б.Д.Халезов, Ю.А.Шурыгин и др.). Однако, они предназначены для конкретных условий того или иного месторождения и не носят обобщающего характера. Поэтому возникла необходимость в обобщении результатов опробования отвалов руд, в получении при этом максимума информации для того, чтобы в дальнейшем сделать правильные выводы по технологии рекультивации отвалов, в первую очередь -необходимо или нет проведение химической рекультивации, операции достаточно трудно- и капиталоемкой. При этом рекомендуется следующая схема проведения работ по опробованию:
- изучение имеющихся сведений об отвалах;
- маршрутные геологические исследования;
- проведение топомаркшейдерских работ;
- поверхностное опробование отвала;
- глубинное опробование отвала;
- формирование проб для технологических исследований.
Из проведенного обзора (глава 1) и оценки экологического состояния районов складирования отвалов (глава 2) сделан вывод, что главными растворителями загрязняющих элементов являются серная и сернистая кислоты. Они поступают на техногенную провинцию в виде газовоздушной среды и регенерируются при окислении сульфидов в теле отвала. Окислителем служат кислород воздуха и трехвалентное железо. Процесс окисления сульфидов, а также и двухвалентного железа ускоряют бактерии типа ТИ. {еггоох^апэ, ТИ. Шюох'к^апэ и другие, которые присутствуют в отвалах в концентрациях от 103 до 10® клеток на 1 см3.
Также установлено, что основными загрязнителями подотвального стока на медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых месторождениях являются медь, цинк, железо. В меньшей степени сток загрязнен свинцом, молибденом и мышьяком. Основными рудными минералами, в которых сосредоточены эти металлы являются: пирит (Ре52), марказит (Ре52), арсенопирит (РеАэБ), пирротин (Рев), гетит, лимонит (РеООН), магне-
тит (Ре304), халькопирит (СиРе82), халькозин (Си28), ковеллин (СиЭ), тено-рит (СиО), куприт (Си20), малахит [Си2(С03)(0Н)2], сфалерит (ИпЭ), цинкит (ТпО), смитсонит £пС03), гослерит (Еп804), галенит (РЬБ), церрусит (РЬ804), ангизит (РЬС12), молибденит (Мо82), повеллит (СаМо04), ферримолибдит [Ре2(Мо04)3]. На основании проведенного нами анализа термодинамики и кинетики процессов взаимодействия этих минералов с серной кислотой и окислителями было установлено, что скорость их выщелачивания до определенных пределов зависит от концентрации растворителя и окислителя, количества выщелачивающих растворов, температуры и скорости подвода растворителя и отвода продуктов реакции.
Таким образом основными факторами, влияющими на извлечение загрязняющих элементов из руд и пород, являются: концентрация выщелачивающего реагента, количество растворов (плотность орошения), пауза между подачей выщелачивающих растворов (пауза между орошениями), а также температура, а основными параметрами процесса выщелачивания являются извлечение из породы загрязняющих ингредиентов, расход реагентов и концентрация загрязняющих элементов в растворах выщелачивания. Поэтому в процессе исследований выщелачивания загрязняющих веществ из породы устанавливали зависимость параметров процесса от этих основных факторов в режимах близких к естественному выщелачиванию и близких к оптимальному.
Исследования по выщелачиванию начинали в перколяторах, вмещающих 100-300 г (крупность породы -10 мм). При этом устанавливали область оптимальных факторов процесса, которые затем проверяли на породе крупностью -30 мм в перколяторах, вмещающих 3-10 кг. Балансовые опыты по проверке всей технологической схемы проводили как на породе крупностью -30 мм в лабораторных условиях, так и -400 мм в полупромышленных (масса руды и породы в полупромышленных перколяторах была 2-8 т).
Полупромышленные испытания проводили на опытном заводе института "Унипромедь", а лабораторные исследования в институтах "РосНИ-ИВХ", "Унипромедь" и "Гидроцветмет". В этих же организациях осуществляли химический, фазовый и минералогический анализы.
Оптимизацию выщелачивания руд и пород осуществляли методом факторного планирования экспериментов Бокса-Уилсона. Для этого осуществляли математическую обработку результатов, полученных при выщелачивании породы, в результате чего получали уравнение регрессии вида:
у = Во + В,С + в2р + взт
(1)
где: С - концентрация реагента; р - плотность орошения; х - пауза между орошениями.
Получив адекватное уравнение регрессии можно судить о направлении градиента функции отклика, так как коэффициенты перед факторами пропорциональны составляющим этого градиента. А направление градиента дает самый быстрый путь к оптимуму. Процедура движения по градиенту называется крутым восхождением. На основании этих опытов были установлены оптимальные режимы и расходные коэффициенты процесса. Главный же показатель - скорость выщелачивания устанавливался либо при полупромышленных испытаниях, либо экстраполяцией зависимости скорости процесса от крупности породы, либо расчетом по разработанной автором диссертации формуле :
где: Е, - скорость выщелачивания загрязнителя из породы промышленной крупности
£2 - скорость выщелачивания загрязнителя из лабораторной пробы; О,; й2 - наименьший и наибольший диаметр частиц промышленной крупности;
05; й6 - наименьший и наибольший диаметры частиц породы лабораторной пробы;
03; 04 - размеры частиц продуктов декрипитации фракции 0,-02; Р7; - размеры частиц продуктов декрипитации фракции 05-06; п , - средняя пористость породы промышленной крупности; пср2 - средняя пористость породы лабораторной пробы; с1р1 - средний диаметр поры в кусках породы промышленной крупности;
дср2 - средний диаметр поры в кусках породы лабораторной пробы; СТ1 -степень декрипитации породы промышленной крупности; СТ2 - степень декрипитации породы лабораторной пробы.
(2)
4. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ РУД И ПОРОД
Для проведения исследований согласно методике опробования были отобраны пробы руд и пород на 14 наиболее представительных для каждого класса нашей классификации месторождений:
1. Медно-цинковые метаколлоидные - Николаевское;
2. Медно-цинковые, залегающие в породах кислого состава - Леви-хинское;
3. Медные, залегающие в породах кислого состава - Удоканское, Кедабекское;
4. Свинцово-цинковые, залегающие в породах кислого состава - Рид-дер-Сокольное, Кварцитовая Сопка;
5. Молибденовые окисленные - Бугдаинское, Жарчихинское;
6. Медные, залегающие в глинистых породах - БощекулЬское, Чек-марское;
7. Медно-цинковые, залегающие в породах основного состава - Си-байское;
8. Медные, залегающие в основных и карбонатных породах - Норильск-1, Гоурдак-Карлюкское;
9. Свинцово-цинковые, залегающие в основных и карбонатных породах - Озерное;
10. Молибденовые сульфидные - Бугдаинское, Жарчихинское.
На первом этапе исследований выщелачивания основных загрязняющих ингредиентов из руд и пород были установлены зависимости скорости их извлечения от концентрации растворителя (в основном серной кислоты), паузы между орошениями и плотности орошения. Результаты этих исследований иллюстрируются на примере выщелачивания легко растворимых соединений меди из окисленной руды Удоканского месторождения (рис. 1). На основании этих зависимостей можно достаточно просто оценить и прогнозировать качество стока, например, сформированного за счет атмосферных осадков, профильтровавших через отвал, а также содержание металлов в растворе после выщелачивания при различных режимах проведения процесса. На основании подобных зависимостей для каждого класса руд и пород был также определены оптимальные диапазоны факторов процесса и рассчитаны коэффициенты уравнения регрессии (1). На основании полученных уравнений методом крутого восхождения были разработаны оптимальные режимы выщела-
80 60
40 20
—-а
> —.3
/ ^ 1
0 2 4 6 Пауза между орошениями, счт
1-1-(-1
0 4 8 12
Концентрация серной кислоты, г/дм3
1-1-1-1
О 40 ВО . 120 Плотность орошения, дкгут
Рис. 1. Зависимость извлечения меди от паузы между орошениями
(1), концентрации серной кислоты
(2) и плотности орошения (3) при выщелачивании руды Удоканского
месторождения
чивания основных загрязняющих легко растворимых ингредиентов из руд и пород для каждого класса руд и пород представленной выше классификации.
Также на основании результатов проведенных исследований установлено, что по интенсивности извлечения загрязнителей и по степени воздействия на окружающую среду, в первую очередь на водные объекты, породы и руды исследованных месторождений можно расположить по степени убывания загрязняющей способности подобно тому, как они расположены в начале этой главы. Причем наибольшую опасность для водных объектов представляют медные и медно-цинковые руды, залегающие в породах кислого состава, а также метаколлоидные
руды. Поэтому техногенные образования содержащие эти руды следует отнести к первоочередным для химической рекультивации.
В оптимальном режиме были продолжены исследования по выщелачиванию пород и руд различных классов, результаты которых иллюстрируются на примере окисленных руд Удоканского, Кварцитовая Сопка и Бугдаин-ского месторождений (рис. 2-4). Этими исследованиями установлено, что зависимость извлечения таких загрязнителей как медь и цинк от продолжительности выщелачивания делится по крайней мере на 4 стадии: 1 медленная, когда за счет окислительных процессов идет насыщение руды кислотой и нейтрализация пород основного состава; 2 стадия - интенсивная, когда идет интенсивное выщелачивание легкорастворимых соединений ме-
80 so
40 20
\ 1
\ 1 1 1
\ I у/ И 1 Ш ; IV
о
CJ
•s
£ s " =t
X
c-31_
ta ^
CLt—
<=t«a ;r> a:
80
100
120
0 20 40 60
Продолжительность выщелачивания, сут
Рис. 2. Зависимость извлечения меди (1) и удельного расхода кислоты (2) от продолжительности выщелачивания окисленной руды Удо-канского месторождения
0 100 20 0 300 400 500 Продолжительность выщелачивания, сят.
Рис. 3. Зависимость извлечения свинца (1, 4), цинка (2, 3) и удельного расхода серной кислоты (5) от продолжительности селективного (1,3) и коллективного (2, 4) выщелачивания руды месторождения Кварцито-
вая Сопка
таллов-загрязнителей (это оксиды металлов, вторичные сульфиды и первичные сульфиды, находящиеся в минералах с высокой дефектностью кри-
80 60 40
го
О 100 200 300 400 500 Продолжительность выщелачивания, сут
Рис. 4. Зависимость извлечения молибдена (1), цинка (2) и меди (3) из окисленной руды Бугдаинского месторождения от продолжительности
выщелачивания
сталлической структуры); 3 стадия - медленное довыщелачивание металлов, находящихся в приведенных выше формах; металлы, находящиеся в хорошо раскристаллизованных минералах, что характеризуется 4-той стадией, практически не выщелачиваются (расчетами, приведенными нами, установлено, что даже при принудительном выщелачивании в оптимальном режиме продолжительность их растворения превысит 200 лет). Процесс выщелачивания свинца и молибдена характеризуется двумя стадиями: на первой интенсивное выщелачивание легко растворимых минералов (оксидов и сульфидов с высокой дефектностью кристаллической структуры), а на второй резкое снижение интенсивности процесса, связанное с растворением трудно растворимых хорошо раскристаллизованных сульфидов.
Результаты, приведенные на рис. 2-4, можно интерпретировать еще следующим образом. Отвалы, находящиеся в своей эволюции на первой стадии (это первые 20-30 лет после отсыпки), обладают так называемым геохимическим барьером, нейтрализующим и осаждающим загрязнители и защищающим водные объекты от загрязнения. Отвалы, находящиеся на второй и третьей стадии своей эволюции, исчерпали свой геохимический барьер. Они интенсивно загрязняют водные объекты. Поэтому их следует отнести к первоочередным для химической рекультивации независимо от того к какому технологическому классу они отнесены. Отвалы, находящиеся на 4 стадии практически не требуют проведения химической рекультивации, потому что оставшиеся в их теле загрязнители находятся в трудно растворимых формах.
В связи с тем, что в отвале после выщелачивания все же останется какое-то количество легкорастворимых соединений металлов-загрязнителей, то нами были проведены исследования по их переводу в трудно растворимое состояние. Для этих целей было испытано применение обработки остатков от выщелачивания известковым молоком при рН 1011, раствор гидросульфида натрия, а также раствор из культиватора с сульфатредуцирующими бактериями, продуцирующими сероводород. Установлено, что для этих целей наиболее эффективна их сульфидиза-ция, например, сероводородом, наработанным сульфатредуцирующими бактериями.
Также были проведены исследования по извлечению металлов-загрязнителей из растворов кучного выщелачивания. Было показано, что наиболее чистым (не вносящим дополнительные загрязнители) и эффективным методом является сорбция металлов на ионообменных смолах.
Результаты лабораторных исследований были подтверждены и уточнены полупромышленными и опытно-промышленными испытаниями.
После всех приведенных выше работ по выщелачиванию и переводу загрязняющих элементов в трудно растворимое состояние порода и руда будет пригодна для последующей биологической рекультивации, направленной на восстановление ландшафтов и биологической продуктивности нарушенных территорий.
5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РУД НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
Исследованиями выщелачивания загрязняющих ингредиентов из руд и пород было показано, что при очистке метаколлоидных руд требуется извлекать и первичные сульфидные минералы, находящиеся в колло-морфном состоянии, скорость выщелачивания которых в 20-30 раз выше, чем у хорошо раскристаллизованных минералов. В этом случае продолжительность химической рекультивации руд и пород этого класса возрастает до 12-15 лет.
Поэтому были проведены исследования по интенсификации выщелачивания этих руд наложением электрических полей, результаты которых приведены на рис.5 и табл. 1.
По своим электрическим свойствам метаколлоидные руды относятся к полупроводникам с примесной проводимостью. Электрические свойства системы руда-раствор определяются жидкой фазой. За счет электровоз-
действия на эту систему практически нагревается только раствор и поверхность кусков руды, омываемая им.
Для интенсификации выщелачивания руд впервые разработан способ ускорения процесса наложением комбинированного электровоздействия на систему руда-раствор (одновременная пода-250 Т,<ят ча высокочастотного и постоянного токов). Получено, что наложение комбинированного электровоздействия в 1.5-1.6 раза ускоряет выщелачивание руд, чем подача любого другого электровоздействия при прочих равных условиях (табл.1).
Интенсификация выщелачивания наложением токового воздействия происходит за счет нагревания, разрушения кусков руды и специфического действия токов. Специфическое действие тока связано с локальным нагреванием системы руда-раствор, возникновением вентильного эффекта на контакте различных по проводимости минералов и с его окислительным действием.
За счет повышения температуры в системе руда-раствор выше 40°С эффективность энергетического воздействия снижается, что объясняется уменьшением количества окислителей в растворе, снижением активности тионовых бактерий, образованием ярозитов и гидроксидов железа (III), которые покрывают куски руды и снижают доступ раствора к минералам, а также ухудшением фильтрационной способности рудного слоя и снижением скорости проникновения раствора внутрь куска руды.
При прохождении электрического тока по системе руда-раствор возникают локальные градиенты температур, величина которых достигает
Рис. 5. Зависимость извлечения меди (1, 5), индия (2 ,6), кадмия (3, 7) и цинка (4, 8) от продолжительности выщелачивания метакол-лоидной руды с наложением (5, 6, 7, 8) и без наложения (1, 2, 3, 4) электрических полей
Таблица 1
Извлечение металлов на 300-тые сутки выщелачивания при различных режимах проведения процесса
Вид энергетического воздействия Без воздействия Нагревание в термостате Наложение тока промышленной частоты (50 Гц) Подача постоянного тока Высокочастотное воздейств ие (400 кГц) Комбинированное воздействие
Извлечение из руды в %
Меди 33,0 42,6 51,5 54,0 52,5 79,5
Цинка 58,0 62,0 72,0 74,0 73,0 20,0
Индия 35,0 39,0 56,0 55,0 55,6 80,0
Кадмия 46,0 49,0 67,0 68,0 67,0 82,0
Энергозатраты, кВт-ч/т - 120 100 105 110 110
Температура системы руда-раствор,°С 20 35 35 35 35 35
Степень декрипи-тации фракции руды 10-5 мм, % 4 6 14 13 14 15
100-200°, а установлено, что при создании градиента температур в куске руды выше 60° происходит его разрушение. В свою очередь, разрушение руды приводит к снижению скорости фильтрации раствора через нее в 2-4 раза. Наиболее заметное снижение скорости фильтрации наблюдается при температурах выше 40°С, поэтому дальнейшее повышение температуры при выщелачивании слабо фильтрующей метаколло-идной руды нежелательно.
Исследованиями также установлено, что скорость проникновения раствора внутрь куска руды в приповерхностных его слоях не превышает 1 мм/ч и снижается вглубь образца, а на глубине 60 мм приближается к величине меньшей 0,01 мм/ч. Поэтому наиболее полное извлечение металлов следует ожидать при выщелачивании руды крупностью кусков менее 120 мм. Исходная же крупность может быть и больше, так как крупные куски при выщелачивании с электровоздействием интенсивно
декрипитируют (табл.1). Установлено также, что скорость проникновения раствора внутрь куска руды увеличивается при выщелачивании с наложением электрических полей на систему руда-раствор в 3-4 раза.
Влияние величины напряженности электрического поля на метакол-лоидную руду характеризуется следующими диапазонами: от 0 до 2,5 В/см - основным интенсифицирующим фактором является нагревание системы руда-раствор; от 2,5 до 16 В/см - характеризуется локальным нагреванием системы руда-раствор и разрушением кусков руды; от 16 до 20 В/см - при этих напряженностях поля происходит выкипание раствора и образование искр в руде, что приводит, в частности, к образованию ферритов меди и цинка; от 20 до 25 В/см - начинается эндогенный пожар, инициированный электрическим током, во время которого окислительные процессы идут наиболее интенсивно; от 25 до 30 В/см -электрический пробой в руде. Благоприятным для ускорения выщелачивания руд является наложение электрического поля напряженностью от 2,5 до 16 В/см.
Методом математического планирования экспериментов в лабораторном и полупромышленном масштабах установлены оптимальные параметры выщелачивания метаколлоидной руды с наложением электрических полей: концентрация серной кислоты - 1,5 г/дм3, трехвалентного железа - 1-5 г/дм3, плотность орошения - 110 дм3/т, температура 32°С, пауза между орошениями - 1 сутки. Железо (III) требуемой концентрации образуется в растворах за счет окисления двухвалентного при выщелачивании руды в оптимальном режиме. При этом получено следующее уравнение регрессии:
У = 0,31 + 0,027CH2SO4 + 0,05СРе(Ш) + 0,087р + 0,05t° (3)
Величины коэффициентов показывают, что наибольшее влияние на выщелачивание оказывает плотность орошения(р). Несколько меньше влияет на процесс изменение температуры и концентрации трехвалентного железа. Значительно меньше сказывается на скорость выщелачивания изменение концентрации серной кислоты. Это связано с тем, что руда высокосернистая и кислота в процессе выщелачивания образуется вследствие окисления сульфидов и серы. Знак плюс перед всеми коэффициентами регрессии показывает, что увеличение любого из рассматриваемых факторов повышает скорость выщелачивания метаколлоидной руды.
Исследования, по интенсификации выщелачивания были продолжены в полупромышленном масштабе. По данным полупромышленных испыта-
ний, а также на основании расчета скорости выщелачивания руд с наложением электрических полей по уравнению (2), определено, что наиболее полное извлечение легкорастворимых соединений металлов из метакол-лоидной руды будет достигнуто за 450 суток. За это время из руды будет извлечено 80% меди, 84% цинка, 75% кадмия и 68% индия, находившихся в легкорастворимых формах. Такое извлечение металлов без электровоздействия по данным опытно-промышленных испытаний будет достигнуто за 12-15 лет, то есть процесс интенсифицируется в 5-7 раз.
6. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ С ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
Как показало наше обследование 31 предприятия цветной металлургии, сток с техногенных образований, носящий, в основном, диффузный (рассеянный) характер, практически без очистки поступает в водные объекты.
В итоге такого воздействия многие водные объекты, в первую очередь реки, протекающие по техногенной провинции, значительно загрязнены ингредиентами стока. В результате качество таких поверхностных вод повсеместно не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям. Ширятся очаги загрязнения подземных вод. Все это приводит также к загрязнению и питьевых источников. Повсеместно питьевая вода в районах действия горнодобывающих предприятий не соответствует ГОСТу, что сказывается на здоровье населения. Так, например, средняя продолжительность жизни мужчин в Западной Европе более 74 лет, то в среднем по России немногим более 60 лет, а на индустриальном Урале почти на 10 лет меньше. В общем виде причины возникновения проблемы загрязнения вод стоком с техногенных образований отражают общие социально-эколого-экономические беды государства:
- ложная технократическая концепция экономического развития государства, вызвавшая эколого-экономический кризис и напряженность в социальной сфере;
- экологический кризис, разрушение устойчивости геоэкосистем бассейнов малых рек, сопровождающийся ненормированной антропогенной нагрузкой на водные объекты, вызывая деградацию речных систем и водосборов;
- ведомственность, приводившая к тому, что добыча велась не комплексно, каждый брал из месторождения только необходимый им полез-
ный компонент, а остальное оставалось, бессистемно складировалось и, естественно, загрязняло окружающую среду;
- бесплатность земли, приводившая к бессистемному складированию техногенных образований, когда можно было занимать под них огромные территории;
- деятельность по защите водных ресурсов традиционно рассматривается отдельно от рационального использования природных ресурсов и как следствие - инвестирование деятельности направлено на борьбу с последствиями загрязнения водных объектов, а не на их профилактику, в том числе на борьбу с причиной, заложенной в самих отвалах.
Как было показано выше, применяемые в настоящее время методы направлены на борьбу со следствием, а не с причиной загрязнения стока на техногенных образованиях. Причина же загрязнения стока заложена в самих техногенных образованиях, содержащих значительное количество легкорастворимых элементов и соединений.
Наиболее радикальным методом борьбы с загрязнением стока, сформированным на техногенных образованиях, в первую очередь на отвалах горных пород, является их рекультивация. В то же время по причине наличия значительного количества легкорастворимых загрязнителей эти образования не отвечают ГОСТ для биологической рекультивации.
Поэтому стратегия защиты водных объектов от загрязнения стоком, сформированным на техногенных образованиях, должна быть следующей. Необходимо как можно быстрее снизить содержание в них легкорастворимых соединений, а последующая биологическая рекультивация практически исключит угрозу загрязнения водных объектов. При этом для большинства техногенных образований необходимо осуществить три этапа рекультивации: горнотехническую, химическую и биологическую. Оптимальный способ рекультивации может быть рекомендован только после опробования этих отвалов, определения современного состояния вещественного состава, а также проведения исследований по их химической рекультивации. Для этого нами разработаны методики опробования отвалов руд и пород и исследования выщелачивания загрязняющих ингредиентов.
Первый этап рекультивации техногенных образований, как было показано в первой главе, это проведение горнотехнических работ. Вначале должен быть организован мониторинг подземных вод и поверхностного стока. Для этого устанавливается сеть гидрогеологических наблюдательных скважин, которые в случае необходимости могут быть использованы для откачки загрязненных подземных вод. Кроме этого организуются гидроло-
гические посты. Для бурения гидрогеологических скважин нами разработан способ бурения отвалов.
Первая задача горнотехнической рекультивации - это проведение мероприятий по защите подземных вод от загрязнения инфильтрующим стоком. Для этого осуществляются мероприятия по снижению коэффициента фильтрации основания отвала. В случае необходимости (чтобы избежать значительного загрязнения подземных вод) отвал переваливают на гидроизолирующее основание. Новые отвалы в обязательном порядке должны отсыпаться на гидроизолирующее основание. Один из вариантов гидроизолирующего основания под отвалы для кучного выщелачивания, разработанный нами, защищен авторским свидетельством СССР.
Вторая задача горнотехнической рекультивации - это сбор всех диффузных (рассеянных) стоков из-под отвала в сборный прудок для их дальнейшей переработки, а также отведение дождевых, паводковых и речных (в случае, если отвал или другое техногенное образование складированы в русле реки) вод с водосборной территории от отвала. Кроме этого, при отсыпке отвалов, их переработке и консервации должны предусматриваться мероприятия по минимизации количества атмосферных осадков, фильтрующих через его тело.
Третья задача горнотехнической рекультивации - это подготовка поверхности отвала для химической рекультивации. Для этих целей нами разработано два способа подготовки руд и пород к выщелачиванию.
Горнотехническая рекультивация, как показано в первой главе, не решает полностью проблем защиты водных объектов от загрязнения. Она только концентрирует диффузный сток с отвалов. Для очистки же отвалов от токсичных химических элементов и соединений необходимо проводить второй этап рекультивации - химическую мелиорацию, которая проводится в две стадии. На первой стадии проводится очистка отвалов от легкорастворимых соединений, а на второй - перевод оставшихся легкорастворимых соединений в нерастворимое состояние и фиксация их в теле отвала. Наиболее приемлемо использование для этих целей геотехнологических методов, которые позволят не только защитить водные объекты от загрязнения стоком с техногенных образований, но и извлечь из них цветные металлы в товарную продукцию. Разработанные нами способы выщелачивания и переработки руд, пород и растворов защищены авторскими свидетельствами СССР на изобретения.
Вторая задача химической рекультивации - подготовка поверхности отвала для биологической рекультивации.
Согласно приведенной выше классификации руд и пород можно выделить первоочередные объекты для химической рекультивации. В первую очередь это медные и медно-цинковые руды, залегающие в породах кислого состава и метаколлоидные руды, а также отвалы, находящиеся на второй и третьей стадии своей эволюции, исчерпавшие свой геохимический барьер. Они интенсивно загрязняют водные объекты. Техногенные образования, находящиеся на четвертой стадии своей эволюции практически не требуют проведения химической рекультивации, потому что оставшиеся в их теле загрязнители находятся в трудно растворимых формах.
В связи с тем, что в отвале после выщелачивания все же останется какое-то количество легкорастворимых соединений металлов, то необходимо будет провести работы по переводу этих остатков в трудно растворимые формы и фиксации их в теле отвала. Такую работу необходимо провести и с отвалами, находящимися на третьей стадии своей эволюции.
После этих работ отвал будет пригоден для последующей биологической рекультивации, направленной на восстановление плодородия и биологической продуктивности нарушенной территории. Пригодными для биологической рекультивации считаются породы с содержанием гумуса в повер-хностнЬм слое более 1% без токсичных солей, поэтому в большинстве случаев на поверхность следует вносить гумусосодержащие почвы. Ускоренному развитию почвообразующего процесса способствует возделывание на отвалах злаково-бобовых и бобовых культур (люцерны, лютена, клевер). Одна из интересных методик ускоренного восстановления почвенного слоя разработана в Канаде. Вместо почвы проводят нанесение семян с помощью гидравлической сеялки с особым веществом Вю-А1дееп, изготовленным на основе активированной целлюлозы, имеющей высокий потенциал сорбции и способность удерживать воду, что вызывает быстрое прорастание семян. В результате формирование гумусового слоя происходит за 2 года вместо 20-30 в природных условиях.
7. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ОЧИСТКЕ ОТВАЛОВ ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
В результате проведенных исследований экологического состояния районов складирования отвалов предприятий цветной металлургии, выщелачивания проб руды и пород с этих отвалов, а также переработки
продуктивных растворов нами выработан общий подход и разработаны принципиальные технологические схемы их химической рекультивации. В общем случае принципиальная схема химической рекультивации заключается в следующем (рис.6). Вытекающие из под отвалов руд и минерализованных пород и горных выработок воды собираются в накопительном прудке, а затем направляются на извлечение металлов. Технология извлечения выбирается для каждого металла индивидуально. После извлечения металлов часть вод подают на регенерацию выщелачивающих агентов либо добавляют в случае необходимости недостающие реагенты до оптимальной концентрации. Затем подготовленными таким образом растворами осуществляют выщелачивание руд и пород. Другую дебалансовую часть вод подвергают дополнительной очистке до ПДК, а затем сбрасывают в водные источники либо используют в других технологических процессах предприятия. Прошедшие через породу воды и выщелачивающие растворы вновь собираются в накопительном прудке и затем подают на извлечение металлов, регенерацию и орошение, осуществляя этим самым по возможности полный оборот вод и растворов. Технология орошения отвалов должна быть направлена на максимальное испарение воды с целью уменьшения или исключения дебалан-са. В случае возникновения дебаланса эти воды необходимо подвергнуть очистке до ПДК, например, сорбцией, нейтрализацией, а также обработкой в биопруде с высшей водной растительностью конструкции "Рос-НИИВХ". Процесс циклического выщелачивания заканчивают после резкого снижения концентрации металлов-загрязнителей в продуктивных растворах до значений близких к ПДК. Затем отвал промывают оборотной водой без регенерации и добавки реагентов. После этого отвал будет содержать незначительное количество легкорастворимых загрязняющих элементов, которые в случае необходимости фиксируют на породе, переводя их в трудно растворимые формы. После химической рекультивации производят горнотехническую, а затем биологическую рекультивацию.
В результате проведенных исследований нами также были разработаны технологические схемы химической рекультивации отвалов различных классов медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд и минерализованных пород. Эти схемы включают следующие операции:
- складирование забалансовых руд и минерализованных пород текущей добычи и перевалку их из отвалов на гидроизолирующее основание
Очищенная вода 1
Сброс
Рис. 6. Принципиальная схема химической рекультивации руд и минерализованных пород
или разработку других мероприятий по защите подземных вод без перевалки руды, например, включающих бурение гидрогеологических скважин для откачки дренирующих в подземные горизонты технологических растворов и инфильтрационных вод;
- горнотехническую рекультивацию отвала для подготовки его к последующей химической рекультивации;
- выщелачивание оборотными растворами руд и пород с целью извлечения главных загрязнителей;
- извлечение металлов из продуктивных растворов, например, сорбцией в товарную продукцию;
- после окончания выщелачивания проведение второго этапа химической рекультивации - фиксации оставшихся легко растворимых загрязнителей на породе с целью приведения породы в отвале, в особенности в поверхностном слое в соответствии с требованиями ГОСТ для рекультивации;
- биологическая рекультивация отвала с целью дальнейшего использования в сельском, лесном хозяйстве или других видах хозяйственной деятельности.
Для оценки эффективности технологических схем разработаны математические выражения по расчету рентабельного производства и минимального содержания металлов, при котором возможно их рентабельное производство.
Рентабельное производство металлов равно:
(
1
— + 0.05
V
К]/(0,8Цм-УД-У2Ц2) (4)
Х = [ЭЦ3+ 1,1 «ЗП +
)
где: Цм - оптовая цена 1 тонны металла;
С - себестоимость рентабельного производства металла;
К - капитальные затраты;
т - продолжительность очистки отвала;
У, - удельный расход реагента на производство 1 т металла;
Ц( - цена 1 т реагента;
У2 - удельный расход сорбента на 1 т металла, т; Ц2 - цена 1 т сорбента; Э - годовой расход электроэнергии; Ц3 - цена 1 тыс. кВтЧч электроэнергии;
ЗП - годовая заработная плата работников участка с отчислениями на соцстрах и пенсионный фонд.
Минимальное содержание металла в руде или породе (Рм), при котором возможно его рентабельное производство можно вычислить исходя из знания необходимого извлечения металла при очистке (Е), продолжительности очистки М и массы перерабатываемой породы (О) :
С помощью этих выражений на основании результатов исследования выщелачивания руд рассчитаны указанные выше показатели, приведенные в табл. 2, в которой в первом столбце указан номер класса, приведенной в главе 4 классификации руд и пород. Так рентабельное производство меди для различных классов руд находится в пределах 110-470 т, цинка - 230-450 т, свинца - 280-360 т, молибдена - 106-186 т, а минимальное содержание металлов соответственно равно: меди - 0,03-0,18%, цинка - 0,07-0,1%, свинца - 0,12-0,15%, молибдена - 0,01-0,02%, что значительно ниже их содержаний в забалансовых рудах.
Все сказанное выше позволяет надеяться на то, что осуществление разработанных технологических схем химической рекультивации отвалов минерализованных пород предприятий цветной металлургии позволит не только надежно защитить водные объекты от загрязнения, но и рентабельно извлечь металлы-загрязнители в товарную продукцию. Кроме этого будет решаться и социальная проблема, связанная с организацией дополнительных рабочих мест на участках химической рекультивации техногенных образований.
Выводы
1. В настоящее время за счет разработки месторождений цветных металлов накоплено значительное количество отвалов забалансовых руд и минерализованных пород, сток с которых загрязняет водные объекты. Самым радикальным способом их защиты является рекультивация техногенных образований. Рекультивация должна проводиться в три этапа: горнотехническая, химическая, биологическая. Химическая рекультивация может эффективно осуществляться с использованием приемов и методов кучного выщелачивания.
2. Для уточнения вещественного состава горной массы и оптимизации ее выщелачивания разработаны методики опробования отвалов и выщелачивания руд и пород. Также разработана методика расчета скорости выщелачивания загрязнителей с учетом изменения технологичес-
Таблица 2
Рентабельное производство металлов и их минимальное содержание в породе при химической рекультивации отвалов руд и пород массой 5 млн тонн
№ класса Рентабельное производство, т Минимальное содержание, %
Си 2п РЬ Мо Си Хп РЬ Мо
1 110 230 - - 0,07 0,09 - -
2 135 280 - - 0,03 0,07 - -
3 460 - - - 0,04 - - -
4 170 320 280 0,07 0,14 0,12
5 280 360 - 106 0,09 0,12 - 0,01
6 470 - - - 0,11 - - -
7 110 230 - - 0,06 од - -
8 455 - - - 0,18 - - -
9 200 400 360 - 0,08 0,17 0,15 -
10 320 450 - 186 0,12 0,2 - 0,02
ких параметров химической рекультивации и эффективной поверхности руды и породы.
3. В результате проведенного обследования районов складирования отвалов на 31 предприятии цветной металлургии установлено, что сток, формирующийся на них, загрязнен в основном медью, цинком, железом, сульфатами, свинцом и молибденом.
4. По интенсивности извлечения загрязнителей и степени воздействия на водные объекты породы и руды месторождений цветных металлов разделены на 10 классов. При этом установлено, что наибольшую опасность для водных объектов представляют медные и медно-цинковые руды, залегающие в породах кислого состава, а также мета-коллоидные руды.
5. Установлены основные закономерности выщелачивания загрязняющих ингредиентов из руд и пород. Так процесс выщелачивания меди и цинка можно условно разделить на 4 этапа; а молибдена и свинца на 2
этапа, что связано с растворением различных минеральных форм, в-ко-торых находятся эти металлы.
6. Установлены зависимости скорости растворения загрязнителей из руд и пород от основных технологических параметров процесса выщелачивания, что позволяет прогнозировать качество стока, формируемого на отвалах, как в условиях естественного, так и принудительного выщелачивания. Кроме этого определено, что растворение загрязняющих ингредиентов идет в диффузном режиме. Методом математического планирования экспериментов разработаны оптимальные параметры и режимы выщелачивания загрязнителей для каждого класса руд и пород.
7. Установлено, что принудительное выщелачивание не очищает полностью породу от загрязнителей. Поэтому необходимо проведение второго этапа химической рекультивации - работ по переводу оставшихся легкорастворимых соединений металлов в нерастворимое состояние.
8. Для интенсификации выщелачивания в ряде случаев возможно применение электрического тока. Разработаны способы выщелачивания с применением различных типов электровоздействий. Получено, что комбинированное электровоздействие в 5-7 раз ускоряет сернокислотное выщелачивание загрязняющих элементов из метаколлоидных руд.
9. В результате проведенных исследований разработаны концептуальные и методологические основы и технологические схемы защиты водных объектов от загрязнения стоком, сформированным на отвалах различных классов руд и пород. Для оценки эффективности этих схем разработаны математические выражения по расчету рентабельного производства и минимального содержания металлов, при котором возможно рентабельное производство.
10. С использованием результатов исследований и предложенных технологических схем разработаны технологические регламенты для проектирования химической рекультивации отвалов руд и пород для 10 предприятий цветной металлургии России и стран СНГ.
11. В диссертации на основе выполненных автором научно-исследовательских работ представлены результаты теоретических исследований, совокупность которых обосновывает экологические и технологические решения по химической рекультивации техногенных образований, внедрение которых вносит существенный вклад в решение проблемы защиты водных объектов от загрязнения и ускорения научно-технического прогресса.
Разработанные технологические схемы и параметры выщелачивания могут быть использованы для защиты водных объектов от загрязнения стоком, сформированным на других техногенных образованиях..
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Монографии, статьи, тезисы докладов
1. Исследования интенсификации выщелачивания руд Волковского месторождения //Научные основы управления состоянием массива горных пород и охраны окружающей среды: Сб. науч. тр. МГИ,- М., 1977.- С. 93-96.
2. К вопросу применения электрических полей для выщелачивания медных руд //Там же, что и в п. 1,- С. 90-93 (Соавторы: Озолин Л.Т., Халезов Б.Д.).
3. Интенсификация выщелачивания волковской смешанной руды наложением электрических полей //Совершенствование гидрометаллургических процессов и оборудования в металлургии тяжелых цветных металлов: Тезисы докладов.- М., 1977.- С. 8-9.
4. Исследование электросопротивления волковской смешанной руды при выщелачивании с наложением электрических полей //Тр. ин-та "Унипромедь".-Свердловск, 1978.- Вып. 21.- С. 123-126.
5. Гидрометаллургическая переработка забалансовых руд //Использование отходов и промпродуктов металлургического производства с целью повышения комплексности использования сырья и уменьшения вредных выбросов в окружающую среду: Тезисы докладов.- Ереван, 1982.- С. 3-5 (Соавторы: Халезов Б.Д., Поплаухин A.C., Токмин Б.М., Павличенко Г.А.).
6. Переработка и утилизация забалансовых руд цветных металлов //Безотходная технология переработки полезных ископаемых: Тезисы докладов,-Челябинск, 1982.- С. 21-22 (Соавторы: Халезов Б.Д., Токмин Б.М., Неживых В.А.).
7. Исследования по созданию электрогеотехнологических схем получения цветных металлов //Проблемы геотехнологии.- М.: ГИГХС, 1983.- С. 160-162 (Соавторы: Халезов Б.Д., Ермаков В.И.).
8. Применение электрических полей для интенсификации выщелачивания руд цветных металлов //Комплексное использование минерального сырья.-1983,- № 6.- С. 20-24 (Соавторы: Халезов Б.Д., Ермаков В.И., Перов Н.В.)
9. Кучное выщелачивание полиметаллических руд //Комплексное использование минерального сырья.- 1984.- № 9.- С. 47-48 (Соавторы: Халезов Б.Д., Неживых В.А., Павличенко Г.А.).
10. Изучение прохождения электрического тока по системе руда-раствор,-Деп. в ВНИИМ 04.07.86.- № 4884,- В 86.- 10 с. (Соавтор: Халезов Б.Д.).
11. Изучение влияния сульфидных минералов на процесс выщелачивания цветных металлов из сплошных метаколлоидных руд //Тезисы докладов Ш
Всесоюзной конференции по химии и технологии халькогенов и халькогени-дов.- Караганда, 1986.- С. 397 (Соавторы: Болтырева A.A., Павличенко Г.А., Хале-зов Б.Д.).
12. Очистка промывных вод сернокислотного производства предприятий цветной металлургии //Технологические пути решения природоохранных задач в производстве тяжелых цветных металлов: Тезисы докладов.- Свердловск, 1986,-С. 24-25 (Соавторы: Гертман Е.М., Халезов Б.Д., Ивакин A.A., Неживых В.А.).
13. Интенсификация выщелачивания руд цветных металлов наложением электрических полей //Технологични, техникоикономически и екологичны пробле-ми на минералната биотехнология: Тезисы докладов.- Пазарджик (Болгария),
1986.- С. 20-21 (Соавтор: Халезов Б.Д.).
14. Разработка технологических схем кучного и подземного выщелачивания медных и медно-цинковых руд //Кучное и подземное бактериальное выщелачивание металлов из руд: Тезисы докладов.- М., 1987.- С. 25-26 (Соавторы: Халезов Б.Д., Павличенко Г.А. и др.).
15. Изучение способов интенсификации кучного и подземного выщелачивания цветных металлов //Там же, что и в п. 14.- С. 27 (Соавторы: Халезов Б.Д., Ермаков В.И.).
16. Влияние фазового и гранулометрического состава метаколлоидной руды на интенсивность выщелачивания //Создание прогрессивных технологий переработки медных и медно-цинковых руд: Тр. ин-та "Унипромедь".- Свердловск,
1987.- С. 92-100 (Соавторы: Халезов Б.Д., Болтырева A.A., Павличенко Г.А., Корнилова О.И.).
17. Изучение проникновения раствора внутрь куска руды //Комплексное использование минерального сырья.- 1986.- № 10.- С. 23-25 (Соавтор: Халезов Б.Д.).
18. Результаты промышленных испытаний сульфидного способа очистки от мышьяка сточных вод сернокислотного производства //Журнал прикладной химии.- 1987.- № 8.- С. 1746-1751 (Соавторы Гертман Е.М., Халезов Б.Д., Неживых В.А. и др.).
19. Методы интенсификации кучного и подземного выщелачивания цветных металлов из руд //Процессы вскрытия, химического обогащения и выщелачивания труднообогатимого сырья цветных и редких металлов: Тр. ин-та "Гидро-цветмет",- Новосибирск, 1987.- С. 116-118 (Соавторы: Халезов Б.Д., Ермаков В.И.).
20. Влияние минералогических особенностей руд и минералов на интенсивность извлечения металлов при выщелачивании //Там же, что и в п. 19.- С. 9799 (Соавторы: Болтырева A.A., Халезов Б.Д.).
21. Переработка медно-цинковых руд геотехнологическими методами //Там же, что и в п. 19.- С. 105-107 (Соавторы: Халезов Б.Д., Гертман Е.М.).
22. Повышение эффективности кучного выщелачивания цветных металлов из РУД //Повышение комплексности использования сырья при переработке руд цветных металлов: Тр. ин-та "Унипромедь".- Свердловск, 1988.- С. 78-83 (Соавторы: Халезов Б.Д., Павличенко Г.А., Дружинина С.И.).
23. Кинетика растворения халькопирита //Вопросы теории и практики геотехнологии цветных металлов: Сб. науч. тр. ин-та "Гидроцветмет".- Новосибирск, 1990.- С. 81-92 (Соавторы: Халезов Б.Д., Каковский И.А., Болтырева A.A., Кара-вайко Г.И.).
24. Кинетика растворения сфалерита //Там же, что и в п. 23.- С. 93-102 (Соавторы: Халезов Б.Д., Каковский И.А., Дятчина Е.В.).
25. Поисковые исследования по геотехнологической переработке забалансовых и балансовых руд Удоканского месторождения //Там же, что и в п. 23.-С. 134-140 (Соавторы: Халезов Б.Д., Болтырева A.A.).
26. Кучное выщелачивание руд месторождения Бощекуль //Там же, что и в п. 23.- С. 141-149 (Соавторы: Халезов Б.Д., Болтырева A.A.).
27. Кучное выщелачивание руд Кедабекского месторождения //Совершенствование технологических процессов переработки медьсодержащего сырья: Тр. ин-та "Унипромедь".- Свердловск, 1991.- С. 53-58 (Соавтор: Пирмагомедов Д.А.).
28. Предупреждение загрязнения водного бассейна и почв цветными металлами с одновременной их утилизацией //Управление водным хозяйством России,- Екатеринбург: РосНИИВХ, 1993,- С. 61-63.
29. Защита водных объектов от загрязнений техногенными образованиями / /Экосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейне рек.- Екатеринбург: РосНИИВХ, 1994,- С. 80-81 (Соавтор: Жижин С.М.).
30. Рекультивация техногенных образований как способ защиты водных объектов от загрязнений //Актуальные экологические проблемы Татарстана: Тезисы докладов.- Казань, 1995.- С. 39-40 (Соавтор: Дальков М.П.).
31. Защита подземных вод от загрязнений отвалами забалансовых руд и минерализованных пород //Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования.- Екатеринбург: РосНИИВХ, 1996.- С. 90-91 (Соавтор: Блинков О.Г.).
32. Рекультивация отвалов забалансовых руд как способ защиты водных объектов от загрязнений //Там же, что и в п. 31.- С. 93-94 (Соавтор: Пирмагомедов Д. А.).
33. Водосбор. Управление водными ресурсами на водосборе /Под науч. ред. A.M. Черняева,- Екатеринбург: Изд-во "Виктор", 1994,- 160 с (Коллектив авторов).
34. Защита водных объектов от загрязнений техногенными образованиями цветной металлургии //Вода: Экология и технология: Тезисы докладов,- М., 1996.- С. 371-372.
35. Рекультивация отходов горнодобывающей промышленности //Промышленные и бытовые отходы,- Уфа: ИППЭП, 1996,- № 2.- С. 44-46 (Соавторы: Дальков М.П., Блинков О.Г.).
36. Переработка техногенных образований как способ защиты водных объектов от загрязнения //Техноген-97: Тезисы докладов.- Екатеринбург, 1997,- С. 19-20 (Соавторы: Комин A.B., Блинков О.Г., Кутищев В.Г., Ортвайн Б.).
37. Использование техногенных образований АО "Алтайполиметалл" //Там же, что и в п. 36.- С. 19 (Соавторы: Блинков О.Г., Комин A.B., Стрегучевский И.И., Козырев В.Г.).
38. Очистка отвалов руд и пород от экологически опасных загрязнителей водных объектов //Управление устойчивым водопользованием,- Екатеринбург: РосНИИВХ, 1997.- С. 163-165 (Соавторы: Блинков О.Г., Комин A.B., Ортвайн Б.).
39. Разработка технологических схем химической рекультивации отвалов руд и минерализованных пород //Уралэкология-97: Тезисы докладов.- Екатеринбург, 1997.- С. 76-77 (Соавторы: Комин A.B., Блинков О.Г.).
Авторские свидетельства, патенты
40. A.c. 605848 СССР, МКИ С 22 в 3/00. Способ выщелачивания руд и концентратов /Ю.С. Рыбаков, Б.Д. Халезов.- Заявл. 04.05.76.- Опубл. Бюл. изобр. -1978,- № 17.
41. A.c. 815059 СССР, МКИ С 22 в 3/00. Способ выщелачивания сульфидных руд и концентратов /Б.Д. Халезов, В.И. Ермаков, О.И. Захаров-Нарциссов, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 03.01.79.- Опубл. Бюл. изобр.- 1981.- Na 11.
42. A.c. 831832 СССР, МКИ С 22 в 3/02. Устройство для электровыщелачивания руд /Ю.С.Рыбаков, Б.Д. Халезов и др.- Заявл. 07.01.80.- Опубл. Бюл. изобр,- 1981.- № 19.
43. A.c. 866142 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ выщелачивания руд /Ю.С. Рыбаков, Б.Д. Халезов и др.- Заявл. 07.01.80.- Опубл. Бюл. изобр.- 1981.- № 35.
44. A.c. 902532 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ бактериально-химического выщелачивания руд и концентратов /Ю.С. Рыбаков, Б.Д. Халезов и др.- Заявл.
26.09.80.- Опубл. Бюл. изобр.- 1982.- № 4.
45. A.c. 924355 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ очистки растворов от выщелачивания руд /Б.Д. Халезов, Б.М.Токмин, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 21.10.80,-Опубл. Бюл. изобр,- 1982.- № 16.
46. A.c. 998549 СССР, МКИ С 22 в 3/00. Способ выщелачивания сульфидных руд и концентратов /Б.Д. Халезов, Л.В. Смирных, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл.
12.10.81,- Опубл. Бюл. изобр,- 1983,- № 7.
47. A.c. 1045662 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ подготовки руд к выщелачиванию /Г.Д. Буров, Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 25.02.82,- Опубл. Бюл. изобр.- 1983.- № 36.
48. A.c. 1098324 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ выщелачивания руд /В.И. Ермаков, А.Ф. Воробьев, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 13.01.83.- Опуб. Бюл. изобр,-1984.- № 19.
49. A.c. 1171589 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ регенерации растворов для выщелачивания меди /Л.В. Смирных, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 10.01.83,-Опубл. Бюл. изобр,- 1985,- № 29.
50. A.c. 1129991 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ выщелачивания сульфидных руд /Ю.С. Рыбаков, Б.Д. Халезов и др.- Заявл. 22.07.83.- Опубл. Бюл. изобр,-1984,- № 36.
51. A.c. 1258117 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ кучного выщелачивания сульфидных руд /Д.А. Пирмагомедов, Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков,- Заявл. 04.01.85.- Опубл. Бюл. изобр.- 1986,- № 34.
52. A.c. 1319661 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ кучного выщелачивания благородных металлов из руд цветных металлов /Д.А. Пирмагомедов, И.А. Каковский, Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков,-Заявл. 04.01.85,- Опубл. Бюл. изобр,- 1987,-№ 23.
53. A.c. 1308753 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ подготовки отвалов к выщелачиванию /Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 06.12.85.- Опубл. Бюл. изобр,- 1987,- № 17.
54. A.c. 1317104 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ выщелачивания руд /О.Б. Крушкол, Б.Д. Халезов Г.А. Павличенко, Ю.С. Рыбаков,- Заявл. 30.12.85,- Опубл. Бюл. изобр. 1987,- № 22.
55. A.c. 1450451 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ извлечения цветных металлов из растворов /Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 04.01.87,- Опубл. Бюл. изобр.- 1989,- № 12.
56. A.c. 1433109 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ приготовления торфяной вытяжки для выщелачивания руд /О.Б. Крушкол, Г.А. Павличенко, Ю.С. Рыбаков - Заявл. 17.11.86,- Опубл. Бюл. изобр,- 1988. - № 39.
57. A.c. 1457221 СССР, МКИ В 03 в 7/00. Способ переработки труднообога-тимых руд /Б.Д. Халезов, В.А. Неживых, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 26.06.86,-Опубл. Бюл. изобр,- 1989,- № 15.
58. A.c. 1464562 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ бактериально-химического выщелачивания сульфидных руд /О.Б. Крушкол, Г.А. Павличенко, Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков, В.В. Абакумов,- Заявл. 31.09.87,- Опубл. Бюл. изобр.- 1989.-№ 18.
59. A.c. 1558093 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ регенерации выщелачивающих оборотных растворов /Г.Д. Буров, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 18.08.88,-Опубл. Бюл. изобр,- 1990,- № 14.
60. A.c. 1710712 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ подготовки гидроизолирующего основания под отвалы для кучного выщелачивания /Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков, В.А. Неживых,- Заявл.02.04.90.-0публ. Бюл. изобр.-1992.-№5.
61. A.c. 1713295 СССР, МКИ Е 21 в 43/28. Способ добычи молибдена из руд выщелачиванием /Б.Д. Халезов, Ю.С. Рыбаков и др.- Заявл. 07.05.90,- Опубл. Бюл. изобр,- 1992,- № 8.
62. Положительное решение по заявке о выдаче патента Российской Федерации на изобретение № 96118961/03 от 23.09.96, МКИ Е 21 в 43/28. Способ опробования отвалов руд и минерализованных пород при геотехнологической отработке и химической рекультивации /Ю.С. Рыбаков, Д.А. Пирмагомедов, О.Г. Блинков, Л.Д. Шевелева.
Верстка:
Радько С. В.
Лицензия ЛР №064990 от 05.02.97. Подписано в печать 25.03.98 Формат 60x84 '/16. Объем 2,5 печ. л. Печать офсетная. Гарнитура Книжная. Тираж 100 экз. Заказ № ШЗ
Издательство "Виктор", 620049, Екатеринбург, ул. Мира 23, тел./факс: (3432) 74-31-84
Генеральный директор В.И.Дучинский
Отпечатано в Верхнепышминской типографии, 624080, Верхняя Пышма, Свердловской области, ул. Кривоусова, 11.
Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Рыбаков, Юрий Сергеевич, Екатеринбург
Ii H т: е з и д. и у м ■■ U А-К России
i\
; Z- СШвНИв С! t' _ ■Í ; 1
1 ! : ' ч суди л ученую степень
МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов
РосНИИВХ
На правах рукописи
РЫБАКОВ ЮРИИ СЕРГЕЕВИЧ
Охрана и предотвращение загрязнения водных объектов от стока с техногенных образований
11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов 05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени доктора технических наук
Екатеринбург 1998
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................................................................6
1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ..................................................................................................................13
1.1. Характеристика техногенных образований................................................13
1.2. Очистка сточных вод от загрязнения техногенными образованиями ... 15
1.3. Способы рекультивации техногенных образований............................................................19
1.4. Геотехнологические методы переработки руд..............................................................................26
1.4.1. Практика кучного и подземного выщелачивания руд.............................26
1.4.2. Рудоподготовка................................................................................................................................................................................29
1.4.3. Подготовка растворов для выщелачивания....................................................................................30
1.4.4. Интенсификация процесса выщелачивания..................................................................................34
1.5. Выводы....................................................................................................................................................................................................................38
2. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РАЙОНОВ СКЛАДИРОВАНИЯ ОТВАЛОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ..................................................40
2.1. Медные рудники..................................................................................................................................................................................40
2.1.1. Волковский рудник..................................................................................................................................................................40
2.1.2. Объединение "Норильский никель"..........................................................................................................41
2.1.3. Каргалинское месторождение медистых песчаников................................................42
2.1.4. Удоканское месторождение медистых песчаников........................................................43
2.1.5. Алмалыкский горно-металлургический комбинат............................................................44
2.1.6. Кедабекское месторождение....................................................................................................................................46
2.1.7. Гоурдак-Карлюкское месторождение........................................................................................................48
2.1.8. Коунрадский рудник..............................................................................................................................................................49
2.1.9. Бощекульское месторождение................................................................................................................................50
2.2. Медно-цинковые месторождения........................................................................................................................51
2.2.1. Башкирский медно-серный комбинат......................................................................................................51
2.2.2. Бурибаевское рудоуправление..............................................................................................................................54
2.2.3. Учалинский горно-обогатительный комбинат .......................................................55
2.2.4. Медногорский медно-серный комбинат................................................................................................57
2.2.5. Гайский горно-обогатительный комбинат......................................................................................58
2.2.6. Рудник им. III Интернационала............................................................................................................................60
2.2.7. Левихинский рудник..............................................................................................................................................................62
2.2.8. Восточно-Казахстанский медно химический комбинат............................................64
2.3. Месторождения свинцово-цинковых руд..............................................................................66
2.3.1. Салаирский горно-обогатительный комбинат..........................................................................66
2.3.2. Алтайский горно-обогатительный комбинат..............................................70
2.3.3. Нерчинский горно-обогатительный комбинат .......................................71
2.3.4. Горевский горно-обогатительный комбинат..............................................................................72
2.3.5. Садонский свинцово-цинковый комбинат................................................................73
2.3.6. Производственное объединение "Дальполиметалл"......................................................74
2.3.7. Шерловогорский горно-обогатительный комбинат........................................................75
2.3.8. Лениногорский полиметаллический комбинат.....................................75
2.3.9. Озернинский рудный узел...........................................................................77
2.4. Молибденовые рудники........................................................................................................................................................78
2.4.1. Сорский молибденовый комбинат................................................................................................................78
2.4.2. Джидинский вольфрамо-молибденовый комбинат..........................................................79
2.4.3. Бугдаинское месторождение....................................................................................................................................80
2.4.4. Жирекенское месторождение.................................................................................80
2.4.5. Жарчихинское месторождение............................................................................................................................82
2.5. Выводы и постановка проблемы..............................................................................................................................83
3. МЕТОДИКА ОПРОБОВАНИЯ ОТВАЛОВ ГОРНЫХ ПОРОД И
ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ХИМИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ................. 88
3.1. Методика опробования отвалов руд и пород..................................................................................88
3.1.1. Изучение геологических и маркшейдерских документов...................................89
3.1.2. Топомаркшейдерские работы..................................................................................................................................90
3.1.3. Опробование поверхностного слоя отвала........................................... 91
3.1.4. Глубинное опробование отвала.............................................................. 94
3.1.5. Формирование проб для проведения технологических исследований 97 3.2. Методика проведения исследований выщелачивания загрязнителей
из руд и пород..................................................................................................... 98
3.2.1. Химия и термодинамика растворения основных минералов руд и минерализованных пород................................................................................. 98
3.2.2. Подготовка проб руд и пород к выщелачиванию................................103
3.2.3. Выщелачивание породы......................................................................... 106
3.2.4. Контроль процесса..................................................................................109
3.2.5. Исследования по интенсификации выщелачивания породы наложением электрических полей....................................................................112
3.2.6. Полупромышленные испытания.............................................................117
4. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ РУД И ПОРОД..................................121
4.1. Руды и породы медных месторождений...................................................121
4.1.1. Медные руды, залегающие в породах кислого состава.......................121
4.1.2. Медные руды, залегающие в основных и карбонатных породах.......133
4.1.3. Медные руды, залегающие в глинистых породах................................141
4.2. Руды и породы медно-цинковых месторождений..................................152
4.2.1. Медно-цинковые метаколлоидные руды..............................................152
4.2.2. Медно-цинковые руды, залегающие в породах кислого состава.......163
4.2.3. Медно-цинковые руды, залегающие в породах основного состава .. 168
4.3. Руды и породы свинцово-цинковых месторождений............................ 173
4.3.1. Свинцово-цинковые руды, залегающие в породах кислого состава 173
4.3.2. Свинцово-цинковые руды, залегающие в основных и карбонатных породах.................................................................................................................179
4.4. Руды и породы молибденовых месторождений.......................................184
4.4.1. Окисленные руды.....................................................................................184
4.4.2. Сульфидные руды................................................................................... 192
4.5. Выводы........................................................................................................ 197
5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РУД НАЛОЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ........................................................................... 200
5.1. Физико-химические свойства руды перед выщелачиванием............... 200
5.2. Свойства руды при выщелачивании...................................................... 202
5.3. Прохождение электрического тока по системе руда-раствор............. 207
5.4. Воздействие высокочастотных и постоянных токов на руду...............209
5.5. Исследования по интенсификации выщелачивания руды наложением электрических полей...................................................................211
5.6. Полупромышленные испытания............................................................. 216
5.7. Выводы........................................................................................................219
6. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫМИ ОБРАЗОВАНИЯМИ.............. 222
6.1. Влияние техногенных образований на водные объекты...................... 222
6.2. Причины возникновения проблемы....................................................... 224
6.3. Стратегия защиты водных объектов от загрязнения............................ 224
6.4. Общая методология защиты водных объектов от загрязнения.......... 225
7. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ОЧИСТКЕ ОТВАЛОВ ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ................................................. 231
7.1. Медные руды............................................................................................ 231
7.2. Медно-цинковые руды..................................../...................................... 243
7.3. Свинцово-цинковые руды....................................................................... 254
7.4. Молибденовые руды................................................................................. 260
7.5. Выводы....................................................................................................... 268
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................... 269
ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................. 275
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследований. Интенсивность развития промышленности приводит к образованию таких загрязнителей окружающей среды, как газовые выбросы, сточные воды и техногенные образования. Если с газовыми выбросами и сточными водами предприятия в той или иной степени пытаются бороться, используя известные технологии, то для техногенных образований, находящихся за пределами санитарной зоны (на техногенной провинции), применить эти технологии не всегда представляется возможным. Как правило, сток, формирующийся на техногенной провинции и имеющий контакт с техногенными образованиями, загрязняется металлами, сульфат- и хлор-ионами, другими компонентами, содержание которых значительно превышает ПДК. В таком стоке на ряде обследованных нами предприятий, например, содержание меди, цинка и железа достигает 100-500 мг/дм /1-3/, что в сотни тысяч раз превышает ПДК для рыбохозяйственного водоема /4/. За год с техногенных образований в водные объекты поступает более одного миллиона тонн химических веществ, в том числе крайне опасных тяжелых и редких металлов, что приводит к значительному загрязнению водных источников. Наибольшую опасность для водных источников представляют отвалы труднообогатимых и забалансовых руд и минерализованных пород горнодобывающих предприятий, в особенности цветной металлургии, содержащие значительное количество загрязняющих элементов и соединений. Как показало наше обследование, сток с отвалов, носящий рассеянный (диффузный) характер, практически без очистки попадает в водные объекты. В итоге такого воздействия многие водные объекты, в первую очередь реки, протекающие по техногенной провинции, значительно загрязнены ингредиентами стока. В результате качество вод в таких водных источниках повсеместно не соответствует санитарно-гигиеническим
требованиям. Все это приводит к загрязнению и питьевых источников. Питьевая вода в районах действия горнодобывающих предприятий не соответствует ГОСТу, что сказывается на здоровье населения. Так, например, средняя продолжительность жизни мужчин в Западной Европе более 74 лет, в среднем по России - более 60 лет, а на индустриальном Урале почти на 10 лет меньше.
Применяемые на ряде предприятий методы очистки стока, сформированного на этих техногенных образованиях, направлены на борьбу со следствием, а не с причиной загрязнения, заложенной в самих отвалах /5-13/. Выше перечисленное делает проблему защиты водных объектов от загрязнения очевидной и первоочередной. Поэтому актуальной задачей становится проведение исследований по очистке техногенных образований от загрязнителей (химической рекультивации) /1,3,14-16/ и на их основе разработка технологий для защиты водных объектов от загрязнения.
Объектом исследования является природно-техногенный комплекс "отвал - водный объект" (отвалы руд и пород цветной металлургии) как источник техногенного загрязнения.
Предметом исследования является динамика процессов концентрации загрязнителей в стоке с отвалов и способы их очистки.
Цель работы - исследование общих закономерностей процессов очистки отвалов от загрязнения и разработка технологий для защиты водных объектов от экологически опасных техногенных образований.
Идея работы состоит в использовании приемов и методов кучного выщелачивания для обезвреживания отвалов руд и минерализованных пород.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи:
- изучить экологическое состояние районов складирования отвалов на предприятиях цветной металлургии и установить основные загрязнители водных объектов;
- изучить физико-химические характеристики руд и пород и закономерности выщелачивания из них загрязняющих ингредиентов;
- классифицировать отвалы по степени их опасности для водных объектов;
- установить оптимальные технологические режимы принудительного выщелачивания основных загрязнителей для каждого класса руд и пород;
- разработать методы прогноза качества стока, сформированного на отвалах руд и пород;
- разработать и обосновать технологические схемы защиты водных объектов от загрязнения стоками с отвалов руд и пород.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы научного познания, теоретическое обобщение современных знаний и представлений о процессах формирования качества сточных вод с техногенных образований и способах их очистки, лабораторные исследования процессов выщелачивания загрязнителей из руд и пород, испытание разработанных технологий в полупромышленном и опытно-промышленном масштабах.
По результатам выполненных исследований сформулированы следующие научные положения:
Извлечение загрязняющих ингредиентов при химической рекультивации прямо зависит от скорости растворения минералов в рудах и породах, что определяет стадиальность процесса их выщелачивания: 1 стадия - нейтрализация основных породообразующих минералов; 2 стадия - интенсивного растворения легкорастворимых минералов; 3 стадия - медленное растворение первичных минералов.
Воздействие комбинированного электрического поля напряженностью от 2,5 до 16 В/см повышает степень извлечения загрязнителей при химической рекультивации в 1,5-2,0 раза, а скорость выщелачивания в 5-7 раз.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обоснованы результатами теоретических исследований, статистической обработкой данных химического, минералогического, фазового анализов, применением методов математического планирования экспериментов, математической обработки полученных результатов, обобщения полученных данных графоаналитическим методом и подтверждены результатами полупромышленных и опытно-промышленных испытаний. На защиту также выносятся:
- концептуальные и методологические основы защиты водных объектов от загрязнения техногенными образованиями цветной металлургии;
- применение химической рекультивации и кучного выщелачивания для очистки техногенных образований от легкорастворимых ингредиентов, загрязняющих водные объекты;
- результаты изучения процессов очистки техногенных образований от легкорастворимых ингредиентов - загрязнителей;
- применение электрических полей для интенсификации процессов очистки техногенных образований от загрязнителей;
- технологические схемы химической рекультивации техногенных образований - метода защиты водных объектов от загрязнения.
Научная новизна. Впервые разработаны концептуальные и методологические основы защиты водных объектов от загрязнения стоком, сформированным на техногенных образованиях предприятий цветной металлургии.
Разработаны методы прогноза качества стока, сформированного на техногенных образованиях предприятий цветной металлургии.
Разработана двух стадийная химическая рекультивация отвалов, как метода зашиты водных объектов от загрязнения, включающая на первой стадии выщелачивание легкорастворимых загрязнителей, а на второй - перевод их в малорастворимые формы.
Для медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд установлена стадиальность процесса выщелачивания загрязняющих ингредиентов. Она выражается в изменении скорости извлечения загрязнителей из твердой фазы.
Установлены закономерности и опти
-
Рыбаков, Юрий Сергеевич
-
доктора технических наук
-
Екатеринбург, 1998
-
ВАК 11.00.11
- Охрана водных биоресурсов от негативного воздействия экотоксикантов поверхностных стоков с техногенных и сельскохозяйственных территорий
- Геоэкологическая роль поверхностного стока при строительстве АЗС в городских условиях
- Охрана гидросферы от загрязненного стока из законсервированных горных выработок методами химической рекультивации
- Защита водных объектов от загрязнения углеводородами поверхностного стока с объектов железнодорожного транспорта
- Защита водных объектов от загрязнения поверхностным стоком селитебных территорий с использованием биосорбционного метода
