Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка экологически безопасной технологии переработки мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Разработка экологически безопасной технологии переработки мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности"

005063954

КАЧОР ОЛЬГА ЛЕОНИДОВНА

РАЗРАБОТКА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ МЫШЬЯКСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ГОРНО-ПЕРЕРАЬ'.АТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Спецжшьность 25.00.36 -Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ЛЕК 2011

Иркутск -2011

005003954

Работа выполнена в ФГБО УВПО «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Богданов Андрей Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тимофеева Светлана Семеновна;

кандидат технических наук Шишмарева Екатерина Александровна

Ведущая организация:

Института геохимии

им. А. П. Виноградова СО РАН

Защита состоится «27» декабря 2011 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.07 в Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус «К», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИрГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.07 В. П. Федорко, факс: (3952) 40-53-76, e-mail: bogdanov@istu.edu

Автореферат разослан «27» ноября 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.П. Федорко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Особый комплекс проблем, требующих незамедлительного решения, в настоящее время связан с образованием и накоплением токсичных отходов, являющихся одним из наиболее опасных видов техногенных нагрузок, негативно влияющих на состояние природной срсды и создающих серьёзную угрозу для здоровья населения.

Краше опасны отходы горно-перерабагывающей промышленности, содержащие мышьяк, которые могут очень долгое время оставаться активными, т.е. способными к химическим превращениям и мшрации иод действием естественных природных условий. Основная часть продукции мышьяковых заводов до 1949 г. была востребована оборонной промышленностью. После запрета использования арсинов необходимость в их производстве отпала, и целый ряд предприятий прекратил свою деятельность. Однако производственные площадки этих заводов не были ликвидированы.

По современным экологическим требованиям отвалы горно-перерабатывающей промышленности, накопленные к настоящему времени в огромных количествах, следует рассматривать как техногенные месторождения. Одним из таких месторождений является отвал бывшего Ангарского мышьякового металлургического завода (АМЗ) по переработке арсеиопирит-ных руд Черемховского района Иркутской области, содержащий около 500 кг золота, 1 600 т мышьяка и широкий спектр тяжелых металлов. Ситуация обостряется еще и тем, что промплощадка расположена в непосредствегаюй близости к жилой зоне и в 500 м от реки Ангары, что является у грозой возникновения социально-экологической катастрофы всего приро дно -техногенного комплекса верхней части Братского водохранилища. Это является одной из причин сложившейся неблагоприятной экологической ситуации в данном районе, итогом которой уже на протяжении многих лет стали самые высокие удельные показатели смертности по Иркутской области (20 %), о которых говорят данные, приводимые в государственных докладах.

Сложившаяся в настоящее время критическая социально-экологаческая ситуация мышьяковистого загрязнения данной территории требует ее немедленного разрешения, в противном случае она грозит перейти в необратимый процесс и вылиться в еоциально-экологаческую катастрофу всего природно-промышленного комплекса верхней части Братского водохранилища. Поэтому разработка экологически безопасных эффективных научных и технических решений обезвреживания мьппьяксодержащих отходов горпо-перерабатывающей промышленности на данный момент является актуальной социально-экологической задачей.

Работа выполнялась в рамках областной государственной целевой программы «Защита окружающей среды в Иркутской области на 2011-2015 года».

Цель псслсдоваппя: разработка эффективных научных и технических экологически безопасных технологий переработки мьппьяксодержащих отходов горно-перерабатыватощей промышленности.

Идея работы: разработка экологически безопасных способов переработки мышьяксодержащих отходов горно-ггерерабатьшающей промышленности с извлечением цепных компонентов по типу природных процессов формирования различных осадочных пород.

Объект работы: мышьяксодержащие отходы горно-перерабатывающей промышленности и объекты окружающей среды, подверженные их влиянию.

Задачи:

1. Провести мониторинг состояния объектов окружающей среды, подверженных атиягшю промышленной площадки АМЗ.

2. Изучить процесс геохимической миграции и ореолы рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве промышленной площадки АМЗ.

3. Установить механизм обезвреживания мышьяксодержащих отходов.

4. Разработать рекуперативную технологию обезвреживания мышьяксодержащих отходов переработки арсенопиритных руд.

Научпая повизпа:

1. Установлена геохимическая миграция и динамика рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве промышленной площадки АМЗ в ионной и топко-дисперсной форме.

2. Определен механизм обезвреживания мышьяксодержащих отходов, заключающийся в образовании труднорастворимого соединения арсспата кальция и реакции замещения серы в гипсе мышьяком с образованием в его структуре груднорастворимого соединения фармаколига.

3. Выявлена природа экзотермической сорбции ионных форм соединений мышьяка па угольном сорбенте с энергией активации 45 кДж/моль, которая может быть представлена образованием карбоксильных и гидроксильных связей с поверхностью сорбента, впутридиффузной сорбцией в межатоскостное пространство кристаллической решетки и реакцией ионного обмена.

Практическая значимость:

1. Рассчитаны уравнения корреляции и установлены ореолы рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве исследуемой территории, имеющие эллипсовидную форму размером 200x400 м, от 10 до 4000 ПДКп. Выявлено количественное соотношение миграционных и связанных форм мышьяка в техногенных объектах АМЗ различных классов опасности.

2. Установлено, что уровень мышьяка в волосах и ногтях практически у всех обследованных учащихся школ исследуемого района превысил допустимые рефереитшле значения в среднем в 4,7 раза.

3. Предложена рекуперативная технология обезвреживания мышьяксодержащих отходов переработки арсенопиритных руд, включающая в себя стадию сорбционной доочистки промывных вод и позволяющая использовать их в замкнутом водообороте, внедрение которой за счет извлечения золота позволит получить экономический эффект 340 млн руб., от предотвращения загрязнения почв тяжелыми металлами экологический эффект 256 млн руб. в год. Прогнозируемое снижение канцерогенного риска составит 677 случаев оггкозаболева-ний на миллион человек.

Основные научные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Геохимическая мшрацня мышьяка и тяжелых мета;шов в почве промышленной площадки мышьякового завода происходит в виде анионов: АзО;", Н2А50.Г, НАбО.Г', АвО,,3"; катионов: Аз3', 8Ю', ВЮ+, Си2', Хп2\ РЬ:"; взвесей и гонко дисперсных систем.

2. Механизм обезвреживания мышьяка и тяжелых металлов в отходах переработки арсеиопиритных руд раствором известкового молока заключается в образовании труднорастворимого соединения арсената кальция и реакции замещения серы п гипсе мышьяком с образованием в его структуре труднорастворимого соединения фармаколита.

3. Рекуперативная технология обезвреживания отходов переработки арсеиопиритных руд, позволяющая не только извлекать ценные компоненты, но и формировать безопасные для окружающей срсды искусственные грунты, и использовать очищенную вод}- в замкнутом водообороте. Механизм сорбциошюй доочистки мышьяксодержащих промывных вод на выбранном угольном сорбенте >1оги 1Ю 3520 представлен образованием разных типов химических связей с поверхностью сорбента, внутридиффузной сорбцией в мсжнлоскостное пространство его кристаллической решетки и реакцией ионного обмена.

Методы исследовании. В работе использованы методы физико-математического моделирования процессов диффузии в почве, методы математического моделирования на ЭВМ, специальный комплекс физико-химических, аналитических и прикладных исследований.

Достоверность результатов проведепиых исследований, обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждаются анализом и обобщением предшествующих научных исследований; комплексом физико-химических, аналитических, математических, полевых исследований, выполненных в аккредитованной лаборатории экологического мониторинга природных и техногенных сред Иркутского государственного технического университета, а также результатами опытно-промышленных испытаний, давших эколого-экономический эффект.

Апробации работы. Основные положения работы докладывались на научно-практических конференциях «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (Иркутск, 2009-2011 гг.), на региональных научно-практических конференциях «Вопросы экологической безопасности и охраны окружающей среды» (Иркутск, 2009-2011 гг.); Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы безопасности природпо-техпических систем и общества. Современные риски и способы их минимизации» (Иркутск, 2009-2011 гг.); «Актуальные научно-технические проблемы химической безопасности» (Москва. 2011 гг.); заседаниях весешшй тучной сессии Восточно-Сибирского отделения Академии проблем водохозяйственных наук. (Иркутск, 2010 г.), круглого стола «Охрана экосистемы озера Байкал и рациональное природопользование» на VI Байкальском международном экономическом форуме (Иркутск, 2010 г.); Министерстве природных ресурсов и экологии Иркутской области (Иркутск, 2009-

2010 гг.); Международном Салоне «Комплексная безопасность 2011» (Москва, 17-20 мая 2011 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 20 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных высшей аттестационной комиссией.

Общая структура диссертации. Диссертация изложена па 157 страницах и состоит из введения, 5 глав. Содержит 103 библиографических источника, 27 таблиц, 53 рисунка и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности выполняемых исследований, краткую характеристику научной и практической значимости диссертационной работы.

В нерпой главе представлен анализ состояния современных методов обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности. Проанализирована существующая геохимическая картши загрязнения объектов окружающей среды мышьяком и тяжелыми металлами верхней части Братского водохранилища.

Во второй главе рассмотрен 1,1 результаты физико-химических, геоэкологических, маркшейдерских, мониторинговых, лабораторных и экспедиционно-полевых изысканий но установлению основных источников, компонентов и зон загрязнения мышьяком и тяжелыми металлами природно-техногенного комплекса района верхней части Братского водохрагаишща.

В третьей главе обоснованы научные и практические положения рекуперативной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности.

Приведены результаты исследования физико-химических свойств отходов, установлены динамика накопления мышьяка и тяжелых металлов в почве и механизм их геохимической миграции.

Найден механизм обезвреживания мьппьяксодержащих отходов с реакцией замещения серы на мышьяк и механизм экзотермической сорбции ионных форм мышьяка с образованием ковалептпых и ионных координационных связей.

В четвертой главе дан анализ результатов опытно-промышленных испы-ташга разработанной рекуперативной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности.

В пятой главе представлены расчеты эколого-экономического эффекта и степени риска здоровью населения.

В приложениях приведены расчеты классов опасности отходов, протоколы КХА и биотестироваиия, акты опытно-промышленных испытаний рекуперативной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности.

Основные результаты исследований отражены в научных положениях, выдвигаемых на защиту:

1. Геохимическая миграции мышьяка и тяжелых металлов и почие промышленной площадка мышьякового металлургического завода происходит в виде ашюиои: As02", H2As04 l HAs04l , AsO/ ; катионов: As1+, SbO+, BiO+, Cuí+, Zn2+, Pb2+; BiBcceii u тонко дисперсных систем.

Анализ опубликованных материалов по теме исследоиания позволил сделать вывод о том, что в мировой практике на сегодня отсутствуют данные но комплексной рекультивации земель, занятых мышьяксодержащими отходами горно-перерабатывающей промышленности. Вывоз отходов на спецпредприятия высокозатратен ввиду их значительных объемов. Создание объекта спецзахоронения также требует больших капитальных вложений и не решает проблему, а лишь временно снижает её актуальность. С учетом того, что отходы обжига арсепопиритовых руд следует рассматривать как ценное техногенное сырье, в соответствии с концепцией рационального использования природных ресурсов оно подлежит обязательной рекуперативной переработке.

Исследуемый объект - отвал и оставшиеся инженерные сооружения бывшего ЛМЗ - расположены па выположешюй падпоймешюй террасе р. Ангара в 500 м от уреза береговой линии воды и находятся и иромышлешю-жилой зоне Черемховского района Иркутской области. В период с 1934 по 1949 гг. АМЗ осуществлял выпуск белого и серого мышьяка, сырьем для производства которого являлись арсенопиритныс концентраты Дарасунского и Занокровско-го месторождений, расположенных в Забайкальском крае. Получение триокси-да мышьяка осуществлялось по упрощенной схеме, предусматривающей обжиг концентратов в подовых печах и улавливание возгонов мышьяка в кулерах с последующим рафинированием гриоксида мышьяка. В 1949 г. производство было остановлено, основные фонды завода списаны и брошены. Установлено, что количество огарков, которое до настоящего времени хранится па территории завода, составляет 140 тыс. т со средним содержанием мышьяка 1,25 %; отвал неправильной формы размером 170x170 м и высотой до 7 м. Непосредственно у отвала на промгшощадке находятся развалины производственных зданий и технологического оборудования, общий объем которых, по данным маркшейдерских изысканий, вместе с фундаментом, составляет 8 тыс. м3 с содержанием в них мышьяка 150 т (рис. 1).

По данным геоэкологических исследований установлено, что основными источниками загрязнения поверхностных слоев почв мышьяком (4365 ПДКП. ) и сурьмой (208 ПДКп) являются отвал и руины АМЗ, а свинцом (321,9 ПДКп ), медыо (89,1 Г1ДКП ), цинком (132,4 ПДК„..), в том числе и золошлаковые отвалы различного происхождения. Определешл значимые корреляционные связи между мышьяком и ртутыо - 0,92; кадмием и цинком - 0,66; кадмием и свинцом -0,68; свинцом и цинком - 0,7. Их пространственное загрязнение составляет 200-400 м и имеет форму эллипса, вытянутого в С-3 и Ю-В паправлешшх, согласно преобладающей розе ветров (см. рис. 1).

На основании полученных данных изучена динамика накопления мышьяка и тяжелых металлов в поверхностном слое почвы в гранитах контура отвала, которая может быть описана уравнениями корреляции: для мышьяка (у = -2.642х2 + 26.95х + 2250); меди (у = -2.285х2 + 30.51х + 6659); сурьмы (у = -0.521х2 + 4.838х + 304.8); свинца (у ~ -2.357х2 + 20.24х + 1806); цинка (у = -2х2 + 18.2х + 978.4), где х - время, год; у - концентрация мышьяка в почве, мг/кг; при этом коэффициента детерминации в среднем составили 0,98.

Контур отвала

Рптвялшшы

АМЧ

• - №Кт]1лльюй точки про&оотборэ;

• псрефнрайиая itt-iKa про&оотоора;

контур ор#о.и иытипкоппсгого

»Л1 |»Ч1ИГННИ

поверхности

ППЧНк!

Содержание мышьяка, мг кг

350 М

I 8730 5450 3270 2180 1090 545 218 109 55 27 о

□ Г1ДК 2 мг/к

4365 ПДК 2-25 ПДК 1635 ПДК 1040 ПДК 545 ПДК 272.5 ПДК 109 ПДК 54,5 ПДК 27,5 ПДК 13.5 ПДК

Рис. 1. Карта (ipco.ua рассеяния мышьяка в почве промышленной площадки АМЗ

В табл. 1 показаны результаты водной отмывки техногенных объектов АМЗ. Из представленных данных видно, что наиболее опасные миграционные формы мышьяка содержатся в кирпиче и отходах полупродуктов триоксида мышьяка в бункерах газоходов. В этих объектах мышьяк отмывается из кирпича на 95 %, из полупродуктов триоксида мышьяка - в среднем на 70 %. Установлено, что максимальное количество мышьяка, вымываемого из 1 г пробы кирпича III и IV класса опасности, составляет 320 мг/дм и 4,8 мг/дм , что превышает ПДКр х в 6380 раз и 95 раз соответственно.

В естественных условиях при длительном воздействии атмосферных осадков и паводковых вод в огарках, содержащих до 18 % серы, окисляются сульфиды с образованием серной кислоты, которая задает соответствующую величин}' pH = 2,8. Качественным химическим анализом установлено, что кроме серной кислоты на кислотность среды определенное влияние оказывают мышьяковая, метамышьяковистая и ортомышьяковистая кислоты, которые дис-

социируют с образованием миграционных анионных форм: АьО;\ Г^АзО,^,

НАбОЛ АвО/".

Миграция элементов подеру шш мышьяка в кислой среде также осуществляется за счет диссоциированных катионных соединений мышьяка, сурьмы и висмута, а растворимых оксидов, сульфидов и оксосолей в виде взвесей и дисперсных систем. Сульфаты меди, цинка и гидросульфат свинца в водном растворе также частично диссоциируют с образованием подвижных катионных форм.

Таблица 1

Содержание миграционных н связанных форм мышьяка в техногенных объектах промышленной площадки АМЗ

Объект АМЗ (средняя проба) Влажность пробы, % Валовое содержание, мг/г Филы- ра. мг/дм Миграционные формы, % Связанные формы, % РН фильтрата

Почва 16 7,32 0,141 1,926 98,074 6,75

Грунт 5,3 0,048 0,011 22,92 77,080 8,23

Кирпич 2,3 5,2 4,95 95,0 5,0 7,66

Отвалы 3,1 11 0,8 7,27 92,730 2,80

Соскоб из бункеров основного цеха 29,5 73,8 60,15 81,5 18,5 3,26

Соскоб из бункеров цеха рафинации 16 885,6 272.5 30,77 69,230 3,77

Таким образом, находящиеся в огарках и остатках конструкционных сооружений АМЗ соединения мышьяка и тяжелых металлов, в той или иной стелет! образуют растворимые в воде и кислой среде подвижные анионные и ка-тиопные формы, дисперсные растворы, которые под действием естественных природных процессов попадают в обьекты окружающей среды.

2. Механизм обезвреживания мышьяка и тяжелых металлов в отходах переработки арсснониритных руд раствором швесткового молока заключается в образовании трудпорастворимого сосдинсппя арссната кальция п реакции замещения серы в гипсе мышьяком с образованием в его структуре трудпорастворимого соединения фармаколнта.

Для определения механизма обезвреживания мышьяка и тяжелых металлов в отходах АМЗ были проведены экспериментальные и аналитические исследования. Приготовленные в соответствии с процентным содержанием отходов АМЗ пробы обрабатывали 5 %-ым раствором известкового молока с дозой

по СаО от 20 до 200 г/кг и помещали в химический реактор дня приготовления технологической смеси. После установления постоянного рН смесь отфильтровывали. Фильтрат анализировали на содержание мышьяка и тяжелых металлов (табл. 2).

Таблица 2

Содержание элементов в фильтратах техногенных смесей отходов АМЗ ио результатам элементного ИСП-МС анализа

'Элемент Номер пройм / концентрация в пробах, мг/дм3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

65.0 112 73,0 97.2 60,6 88.7 51,2 84,6 81.5 47.6 47,4

А/я 0,0002 0,001 0,0005 0,005 0,13 0,008 0,008 0,024 0,013 0,024 0,021

1-е 0.005 0.004 0.016 0,023 0.12 0.025 0.14 0,07 0,06 0,15 0.16

Си 0.004 0,003 0,005 0.002 0,003 0,003 0,008 0,027 0.008 0.06 0,05

2п 0.11 0.013 0.006 0,08 0.49 0.19 0.30 0.28 0.25 0,70 0.68

Аз 0.84 2.99 3.78 5,62 4.86 5.39 4.12 4.87 4,90 8,91 8.98

ЯЬ 0.008.1 0,010 0.026 0.017 0.003 0.014 0.011 0.011 0.013 0.07 0,09

РЬ 0,0015 0,001 0,0011 0,003 0,004 0,004 0,005 0.0020 0,004 0,006 0.005

Из табл. 2 видно, что содержание мышьяка и тяжелых металлов в фильтрате обезвреженных проб (1-9) в 2-5 раз мепьше, чем в фильтрате исходпых проб (10-11), а содержание серы в 1,5-2 раза больше. Это объясняется реакцией замещения серы на мышьяк в обезвреженных отходах с образованием труднорастворимого соединения - фармаколита.

Таблица 3

Химический состав техпогеппых смессп отходов (проба № 4)

Огарки (76,6 %), почва иромнлощадки (20 %), кирпич (3,1 %), соскоб полупродуктов триоксида мышьяка (0,3 %)

До обезвреживания После обезвреживания раствором Са(ОП)2

Магнегит- Ке30.| -25 % (трудпорастпоримый) Магнетит-Ре304-25 % (труднорастворимый)

Гипс - Са80г2Ш0 (растворимый) - 23 % Гипс СаЭО)-211:0(растворимый) 3 %

Арсенат кальция - СаСАвгОв) (труднораст варимый) 9 % Арсенаг кальция - Са(/^Ю6) (труднорастворимый) 24 %

Фармаколит СаЛ50г211;0 (т руднораш вори мое) - 2 ° о Фармаколит - СаАяО^НгО (труднорастворимое) - 9 %

Прочие 4 % Прочие - 2 0 о

Наблюдаемые на дифрактограммах изученных проб (см. рис. 2, табл. 2) асимметрия и смещение в сторону малых углов некоторых линий гипса позволяют сделать вывод, что часть серы в гипсе замещается мышьяком с образованием в его структуре трудиорастворимого соединения - фармаколита. В этом случае гипс в процессе обезвреживания отходов выступает в качестве минерала-концентратора мышьяка.

красными вертикальными линиями обозначен спектр образца гипса Са804-2П:0; синими линиями спектр образца фармаколита СаАЮ^НЬО; спектры гипса и фармаколита взяты из Международной балы порошковых рен тгеновских данных

Максимальное содержание труднорастворимых соединений арсената кальция и фармаколита наблюдается в тех пробах, в фильтратах которых концентрация загрязняющих веществ минимальна. Именно эти пробы соответствуют оптимальным реагентным режимам при обезвреживании (№ 3, 4, 7, 8, 9) (см. табл. 2). Оптимальная доза известкового молока по СаО составила 140 кг/т. Устаиошгено, что после обезвреживания отходов содержание труднораствори-мы.х соединений мышьяка в них увеличивается на 25 %, растворимость уменьшается в 8 раз.

Также установлено, что применение для обезвреживания в качестве связующего агента отхода производства целлюлозно-бумажной промышленности - золы шлам-лигнина, содержащей до 70 % у - А1203, позволяет снизить дозу

известкового молока в 1,5 раза, при этом концентрация мышьяка и тяжелых металлов в фильтрате соизмеримы.

3. Рекуперативная технология обезвреживании отходов переработки арссноппрптных руд, позволяющая не только извлекать ценные компоненты, но и формировать безопасные дли окружающей среды искусственные грунты, н использовать очищенную воду' в замкнутом водооборотс. Механизм сорбционной доочистки мышьиксодержащих промывных вод на выбранном угольном сорбенте Norit RO 3520 представлен образованием разпых тппов химических связен с поверхностью сорбспта, впутридпф-фузной сорбцией в межплоскостное пространство его кристаллической решетки и реакцией ионного обмена.

По данным геологических изысканий Гинцветмета, среднее содержание золота в отвалах составляет порядка 4 г на тонну, при котором для растворения металлического золота в водных растворах тиокарбамида необходимо обеспечение кислотности среды в пределах рН = 2-4. Исходные огарки уже имеют в своем составе высокое содержание сернокислых соединений. Так при разбавлении огарков в соотношении Т/Ж - 1/4, рН раствора составляет 2,8, а общая кислотность фильтрата - 2,45 мг-экв/л. Таким образом, качество исходного сырья позволяет исключить дополнительные расходы сернокислых реагентов.

Таблица 4

Тнокарбамидное выщелачивание при разных режимах

« H 4> Ре. о 55 Режим выщелачивании Содержание золота, г/т Кон-цеи-грация золота в растворе, % Расход реагента, кг/т отвалов Концентрация окислителя в конечном растворе, мг/л

Влажность пульны, % Концентрации тиомо- чевины, % рН Загрузка окислителя, т/л в исход-пом в кекс тно-карба-мщ серная кислота

Выщелачтшше пробы отвалов при различной концентрации тиокарбамида

1 40 0,2 1 без 5,20 4,60 11,54 78,70 483,79 4817

40 0,5 1 без 4,96 2,70 45,56 150,40 487,45 4796

Выщелачивание пробы отвалов при различной рН пульны

3 40 0,5 2 без 5,21 2,85 45,30 141,54 456,76 752

4 40 0,5 3 без 5,32 3.60 32,33 26,46 11,66 70

5 40 0,5 3,8 без 5,16 4,00 22,48 11,92 0 30

Выщелачивание пробы отвалов с добавкой окислителя (железо III)

6 40 0,5 1 5 5.18 2,80 45,95 158,36 - 10120

7 40 0.5 1 10 5,16 2,80 45,74 160,17 - 24960

В табл. 4 приведены результаты тиокарбамидиого выщелачивания золота из огарков. Извлечение золота составляет 45.30 %, расход тиокарбамида -141,54 кг/т, при этом известкование пульпы кека позволяет связать образующуюся серную кислоту в малорастворимый сульфат кальция, окислить двухвалентное железо и перевести мышьяк в труднорастворимые формы.

Установлено, что в случае многократной отмывки обезвреженных отходов концентрация мышьяка в растворе составляет 1,6 мг/дм , что значительно превосходит ПДКр.х„ (0,05 мг/дм3). С целью исключения возможного загрязнения объектов окружающей среды проведепы лабораторные и опытно-промъппленпые испытания по усовершенствованию технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов до получения нормативных показателей по промывным водам методом сорбциоппой доочистки.

На рис. 3 приведены кинетические кривые процессов сорбции в динамике для различных типов углей. Наибольшее сродство проявил сорбент Ыош 1Ю 3520. Время защитного действия сорбента в 3,3 и 1,4 раза больше, чем у СКТ и КАД соответственно.

-А-скт

■«--КАД

—--Мшено 3520

Рис. 3. Кинетические кривые процесса сорбции промывных вод в динамике

Снижение концентрации мышьяка на сорбенте 1Чоги КО 3520 при увеличении температуры (рис. 4) говорит о протекании экзотермических процессов сорбции, при этом рассчитанная энергия активации составила 45 кДж/моль.

Сорбент №>гП КО 3520 имеет слоистую структуру, подобную структуре графита, поэтому благодаря такой структуре сорбента могут проявляться два параллельных механизма сорбции: сорбция на поверхности и сорбция, при которой ион или атом сорбата диффундирует в межслоевое пространство сорбента.

■ 20 °С

-зо°с

40 °С

30 40 50 60

Время сорбции, мин

Рис. 4. Кинетическая кр1шая сорбции мышьяка в промывных водах при разных температурах в статическом режиме на сорбенте N013! ИО 3520

5000

4000

3000

2000

1000

см-1

% 0,25

0,1

Рис. 5. Спектр отражения поверхности чистого сорбента 1Чогй Ж) 3520

5000 4000 3000 2000 1000

Рис. 6. Спектр отражения поверхности сорбента N0111 КО 3520 после сорбции

В ИК-спектрах отражения сорбента Norit RO 3520 после сорбции наблюдаются уменьшение амплитуды колебаний и смещение полос 570, 670, 1540, 1650 см"1, (рис. 5, 6), которые относятся к деформационным колебаниям группы

- СОО карбоновых кислот.

Карбоксигруппы (- СОО) на поверхности сорбента по своей природе образуют два типа связей с катиониыми формами мышьяка: As(OH)'3, AsOH^ . As3+. В области 653 им (669) образуются координационные связи, по своему взаимодействию относящиеся ближе к ковалентным, а области 1541 и 565 см"

- ближе к ионным. В ИК-спектрах отражения сорбента после сорбции смещается полоса 3680 см"1, относящаяся к колебаниям гидроксидной группы [ОН] , которая за счет неспаренной пары электронов на атоме кислорода также может образовывать с катиониыми формами мышьяка координационные связи.

В отличие от катионов, анионные формы мышьяка (Н:АяОз HasOj AsO33~) из-за более сложного стерического строения и размера > 5 А не могут свободно диффундировать внутрь кристаллической решетки сорбента. В этом случае сорбция происходит за счет механизма ионного обмена между анионными формами мышьяка и гидроксогруппой сорбента. Подтверждением механизма сорбции ионного обмена служит увеличение рН-сорбата с 3,7 до 5,9 (рис. 7).

Таким образом, механизм сорбции ионных форм соединений мышьяка может быть представлен образованием разных типов химических связей с поверхностью сорбента, внутридиффузной сорбцией в межплоскостное пространство его кристаллической решетки и реакцией ионного обмена.

к

|3

4-2--

--

0 .]-т-т-,-т-т-

0 10 20 30 40 50 60 Время сорбции, мин

Рис. 7. Изменение рН сорбата в процессе сорбции

На основании полученных данных предложена рекуперативная технология обезвреживания мышъяксо держащих отходов АМЗ, включающая в себя стадию сороционной доочистки промывных вод (рис. 8).

На базе лаборатории института «Технология обогащения минерального сырья» и лаборатории качества водных ресурсов ЮНЕСКО Иркутского госу-

дарственного университета были проведены опытно-промышленные испытания предложенной технологии, при этом извлечение золота составило 45,6 %, концентрация мышьяка в промывных водах после сорбционной доочистки меньше ПДК„Х (0,05 мг/дм3).

Мусор в отвал

Отвалы

"У"1 Р-р С3№)2

-И-Ы^-ГЧ'в тт

Т^сплав Доре плавильныи участок^

на металлургическим

захоронение завод по восстановление на полигоне мышьяка

IV класс опасности

Рис. 8. Схема цепи аппаратов обезвреживания отходов АМЗ

Р Грохо; - 3 приемный бункер

4 тякояаа лроЬилкя

контактная ймкоств фщЩЬ Фильтр рошнерационнан установка |Щ|11' Электролизер

^ сорОционнан колонна дробилка

Таким образом, рекуперативная технология обезвреживания мышьяксо-держащих отходов горно-перерабатывающей промышленности позволяет не только извлекать ценные компоненты, но и формировать безопасные для окружающей среды искусственные грунты и использовать очищенную воду в замкнутом водообороте.

Заключение

Выполненное диссертационное исследование является развитием научных и практических основ экологически безопасных технологии комплексной переработки мьппьяксодержащих отходов горпо-перерабатываютцей промышленности. В работе изложены теоретическое обоснование и технические решения важной народнохозяйственной задачи з коло го- экономически эффективной рекуперации техногенного сырья, вносящие значительный вклад в обеспечение экологической безопасности, устойчивого экономического и социального развития Байкальского региона.

Основные научные и прикладные результаты сводятся к следующему:

1. Ореолы рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве территории иромплощадки техногенного месторождения АМЗ имеют эллипсовидную форму размером 200x400 м. Превышение концентрации мышьяка в почве иромплощадки составляет 10-4000 ПДК„ (ПДК„ 2 мг/кг); сурьмы 30-200 ПДК„(ПДК„ 4 мг/кг); свинца 10-300 11ДКП (1ЩСП 32 мг/кг); меди 3-90 ОДКп (ОДК„ 33 мг/кг); цинка 10-130 ОДКп (ОДКп55 мг/кг).

2. Геохимическая миграция мышьяка и тяжелых металлов в почве промышленной площадки АМЗ происходит в виде анионов: АзОг", НгАзО.Г, НАяОД АзОД катионов: Ав3\ 8Ю'\ ВЮ\ Си2", РЬ2+; взвесей и подвижных тонко дисперсных систем. Значимые корреляционные связи между мышьяком и ртутью составляют - 0,92; кадмием и цинком - 0,66; кадмием и свинцом - 0,68; свинцом и цинком - 0,7. Динамик! накопления мышьяка и тяжелых металлов в поверхностном слое почвы в границах контура отвала АМЗ может быть описана уравнениями корреляции: для мышьяка (у = -2.642х" + 26.95х + 2250); меди (у = -2.285х2 + 30.51х + 6659); сурьмы (у = -0.521х2 + 4.838х + 304.8); свинца (у = -2.357х: + 20.24х + 1806); цинка (у = -2х: + 18.2ч + 978.4), где х - время, год; у - концентрация мышьяка в почве, мг/кг; при этом коэффициенты детерминации в средпем составили 0,98.

3. Уровень мышьяка в биосубстратах волос и ногтей у большинства обследованных учащихся школ исследуемого района превышал допустимые референтные значения в 4,7 раз.

4. Механизм обезвреживашы мьппьяксодержащих отходов заключается в образовании труднорастворимого соединения арсената кальция и реакции замещения серы в пшее мышьяком с образованием в его структуре труднорастворимого соединения фармаколита.

5. Экзотермическая сорбция ионных форм соединений мышьяка па угольном сорбенте ИогЬ 110 3520 представлена образованием карбоксильных -в области 1540-1650 см"1 и гадроксильиых - в области 3680 см"1 связей с поверхностью сорбента, внутридиффузной сорбцией в межплоскостное пространство его кристаллической решетки и реакцией ионного обмена с энергией активации 45 кДж/моль.

6. Разработанная экологически безопасная рекуперативная технология переработки мышьяксодержащих отходов горно-нерерабатывающеи промыш-

ленносш, включающая в себя стадию сорбционной доочистки промывных вод, позволяет использовать их в замкнутом водообороте.

7. Применение для обезвреживания отходов АМЗ в качестве связующего агента ЗШЛ, содержащей до 70 % у ~ А1:03, позволяет снизить доз}' Са(ОП)2 в 1,5 раза. Доза Ca(OH)i и ЗШЛ в пересчете на 1 т составляет 100 кг и 25 кг, соответственно.

8. Внедрение разработанной рекуперативной экологически безопасной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов позволит получить экономический эффект за счет извлечения золота 340 млн руб. Экологический эффект от предотвращения загрязнения почв тяжелыми металлами составит 256 млн руб. Прогнозируемое снижение канцерогенного риска па миллион человек составит 677 случаен онкозаболеваний.

Основные положения диссертации опубликовали в следующих работах:

Издания, рекомендованные высшей аттестационной комиссией:

1. Качор O.JI. Рекуперативная технология обезвреживания отвалов пи-рометаллургического производства / A.B. Богданов, К.В. Федотов, A.B. Аксенов, О.Л. Качор // Экология и промышленность России. М. : Изд-во ЗАО «Кал-вис», 2009. Октябрь. С. 10-14.

2. Качор O.JI. Рекуперативная технология обезвреживания отвалов пи-рометаллургаческош производства / О.Л. Качор, К.В. Федотов, AB. Богданов, A.B. Аксенов//ВестникИрГГУ. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2010. № 5. С. 64-70.

3. Качор О.Л. Рекуперативная технология обезвреживания мышьяксодержащих отходов / О.Л. Качор, A.B. Богданов, К.В. Федотов // Экология и промышленность России. М. : Изд-во ЗАО «Калвис», 2011. Январь. С. 5-8.

4. Качор О.Л. Технология переработки отвалов пирометаллургаческото производства / A.B. Богданов, О.Л. Качор // Известия вузов. Горный журнал. 2010. №5. С. 136-144.

Другие издания:

5. Качор О.Л. Технология обезвреживания мышьяксодержащих отходов / A.B. Богданов, О.Л. Качор // Экология производства. М. : Изд-во ООО «Отраслевые ведомости», 2009. № 7. с. 53-57.

6. Качор O.JT. Развитие научных и практических основ технологий комплексной переработки осадков карт-шламонаконителей (монография) / A.B. Богданов, К.В. Федотов, О.Л. Качор. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2009. 203 с.

7. Качор О.Л. Экобетонировапие мышьяксодержащих отходов золой шлам-лигшша / О.Л. Качор, A.B. Богданов, К.В. Федотов //Вопросы экологической безопасности и охраны окружающей среды. Иркутск : Изд-во ИГУ, 2009. С. 107-109.

8. Качор О.Л. Рекуперативная технология обезвреживания мышьяксодержащих отвалов металлургических производств / О.Л. Качор, A.B. Богданов, К.В. Федотов // Научные основы и современные процессы комплексной пере-

работки труднообогатимого минерального сырья (Плаксинские чтения 2010). М. : Изд-во УРАН ИПКОН РАН, 2010. С. 452-454.

9. Качор O.JI. Разработка технологии экобетонирования мышьяксодер-жащих отходов / О.Л. Качор, A.B. Богданов, М.А. Иванова // Проблемы безопасности природно-технических систем и общества. Современные риски и способы их минимизации. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2010. С. 182-183.

10. Качор O.JI. Разработка технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов / Обогащение руд. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2010. С. 30-33.

11. Качор О.Л. Рекуперативная технология обезвреживания мышьяксо-держащих отходов горно-перерабатывающей промышленности / О.Л. Качор, A.B. Людвиг, A.B. Плакущая // Перспективы развития технологии переработки углеводородных, растительных и минеральных ресурсов. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2011. С. 122-123.

12. Качор О.Л. Разработка методов обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности / О.Л. Качор, A.B. Богданов // Проблемы безопасности современного мира. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2011. С. 158-160.

Подписано в печать 21.11.2011. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 224. Поз. плана 34н.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Качор, Ольга Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ

1. Современное состояние проблем утилизации мышьяксодержащих техногенных отходов.

1.1. Анализ социально-экологической ситуации природно-техногенного комплекса верхней части Братского водохранилища, подверженного антропогенному мышьяковому загрязнению.

1.2. Анализ современного состояния технологий обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности.

2. Геоэкологическая оценка степени мышьякового загрязнения природно-техногенного комплекса района МО г. Свирск.

2.1. Инвентаризация и исследование физико-химических свойств источников негативного воздействия промышленной площадки бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

2.2. Мониторинговые исследования воздействия промышленной площадки бывшего Ангарского мышьяковистого завода на почвенный покров и грунты территории района МО г. Свирск.

2.3. Исследование миграционных форм мышьяка и тяжелых металлов в техногенных объектах Ангарского мышьяковистого завода.

2.4. Мониторинговые исследования атмосферного воздуха района промышленной площадки бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

2.5. Мониторинговые исследования биосубстратов ногтей и волос детского населения МО г. Свирск в условиях антропогенного загрязнения объектов окружающей среды соединениями мышьяка.

3. Разработка научно-практических решений рекуперативной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности.

3.1. Исследование процессов выщелачивания золота из отвалов переработки арсенопиритных руд.

3.2. Исследование процессов обезвреживания мышьяксодержащих отходов бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

3.3. Исследование сорбционных процессов доочистки промывных мышьяксодержащих вод отходов бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

3.4. Модернизация рекуперативной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

4. Результаты опытно-промышленных испытаний рекуперативной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

5. Сводный эколого-экономический расчет мероприятия по внедрению рекуперативной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

5.1. Определение величины предотвращенного экологического ущерба окружающей природной среде от снижения загрязнения отходами производства и потребления.

5.2. Оценка риска здоровью человека от промышленной площадки бывшего Ангарского мышьяковистого завода.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка экологически безопасной технологии переработки мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности"

Актуальность работы. Особый комплекс проблем, требующих незамедлительного решения, в настоящее время связан с образованием и накоплением токсичных отходов, являющихся одним из наиболее опасных видов техногенных нагрузок, негативно влияющих на состояние природной среды и создающих серьёзную угрозу для здоровья населения. Крайне опасны отходы горно-перерабатывающей промышленности, содержащие мышьяк, которые могут очень долгое время оставаться активными, т.е. способными к химическим превращениям и миграции под действием естественных природных условий. Основная часть продукции мышьяковых заводов до 1949 г. была востребована оборонной промышленностью. После запрета использования арсинов необходимость в их производстве отпала, и целый ряд предприятий прекратил свою деятельность. Однако производственные площадки этих заводов не были ликвидированы.

По современным экологическим требованиям отвалы горно-перерабатывающей промышленности, накопленные к настоящему времени в огромных количествах, следует рассматривать как техногенные месторождения. Одним из таких месторождений является отвал бывшего Ангарского мышьяковистого завода (АМЗ) по переработке арсенопиритных руд Черемхов-ского района Иркутской области, содержащий около 500 кг золота, 1 600 т мышьяка и широкий спектр тяжелых металлов. Ситуация обостряется еще и тем, что промплощадка расположена в непосредственной близости к жилой зоной и в 500 м от реки Ангары, что является угрозой возникновения социально-экологической катастрофы всего природно-техногенного комплекса верхней части Братского водохранилища. Это является одной из причин сложившейся неблагоприятной экологической ситуации в данном районе, итогом которой уже на протяжении многих лет стали самые высокие удельные показатели смертности по Иркутской области - 20 %, о которых говорят данные Государственных докладов.

Сложившаяся в настоящее время критическая социально-экологическая ситуация мышьяковистого загрязнения данной территории требует ее немедленного разрешения, в противном случае она грозит перейти в необратимый процесс и вылиться в социально-экологическую катастрофу всего природно-промышленного комплекса верхней части Братского водохранилища. Поэтому разработка экологически безопасных эффективных научных и технических решений обезвреживания мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности на данный момент является актуальной социально-экологической задачей.

Работа выполнялась в рамках областной государственной целевой программы «Защита окружающей среды в Иркутской области» на 2006-2015 годы.

Цель исследования: разработка эффективных научных и технических экологически безопасных технологий переработки мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности.

Идея работы: разработка экологически безопасных способов переработки мышьяксодержащих отходов горно-перерабатывающей промышленности с извлечением ценных компонентов по типу природных процессов формирования различных осадочных пород.

Объект работы: мышьяксодержащие отходы горно-перерабатывающей промышленности и объекты окружающей среды, подверженные их влиянию.

Задачи работы:

1. Провести мониторинг состояния объектов окружающей среды, подверженных влиянию промышленной площадки АМЗ.

2. Изучить процесс геохимической миграции и ореолы рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве промышленной площадки АМЗ.

3. Установить механизм обезвреживания мышьяксодержащих отходов.

4. Разработать рекуперативную технологию обезвреживания мышьяксо-держащих отходов переработки арсенопиритных руд.

Научная новизна:

1. Установлена геохимическая миграция и динамика рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве промышленной площадки АМЗ в ионной и тонкодисперсной форме.

2. Определен механизм обезвреживания мышьяксодержащих отходов, заключающийся в образовании труднорастворимого соединения арсената кальция и реакции замещения серы в гипсе мышьяком с образованием в его структуре труднорастворимого соединения фармаколита.

3. Выявлена природа экзотермической сорбции ионных форм соединений мышьяка на угольном сорбенте с энергией активации 45 кДж/моль, которая может быть представлена образованием карбоксильных и гидроксильных связей с поверхностью сорбента, внутридиффузной сорбцией в межплоскостное пространство кристаллической решетки и реакцией ионного обмена.

Практическая значимость:

1. Рассчитаны уравнения корреляции и установлены ореолы рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве исследуемой территории, имеющие эллипсовидную форму размером 200x400 м, от 10 до 4000 ПДКп. Выявлено количественное соотношение миграционных и связанных форм мышьяка в техногенных объектах АМЗ различных классов опасности.

2. Установлено, что уровень мышьяка в волосах и ногтях практически у всех обследованных учащихся школ исследуемого района превысил допустимые референтные значения в среднем в 4,7 раза.

3. Предложена рекуперативная технология обезвреживания мышьяксодержащих отходов переработки арсенопиритных руд, включающая в себя стадию сорбционной доочистки промывных вод, позволяющая использовать их в замкнутом водообороте, внедрение которой за счет извлечения золота позволит получить экономический эффект 340 млн руб., от предотвращения загрязнения почв тяжелыми металлами экологический эффект 256 млн. руб. в год. Прогнозируемое снижение канцерогенного риска составит 677 случаев онкозаболеваний на миллион человек.

Основные научные положения, выдвигаемые на защиту:

1. Геохимическая миграция мышьяка и тяжелых металлов в почве промышленной площадки мышьяковистого завода происходит в виде анионов: АъОг, НзАбОд", НАбО/", АбОд3"; катионов: Аз3+, 8Ю+, ВЮ+, Си2+, гп2+, РЬ2+; взвесей и тонкодисперсных систем.

2. Механизм обезвреживания мышьяка и тяжелых металлов в отходах переработки арсенопиритных руд раствором известкового молока заключается в образовании труднорастворимого соединения арсената кальция и реакции замещения серы в гипсе мышьяком с образованием в его структуре труднорастворимого соединения фармаколита.

3. Рекуперативная технология обезвреживания отходов переработки арсенопиритных руд, позволяющая не только извлекать ценные компоненты, но и формировать безопасные для окружающей среды искусственные грунты, и использовать очищенную воду в замкнутом водообороте. Механизм сорбционной доочистки мышьяксодержащих промывных вод на выбранном угольном сорбенте ?чГогк ЯО 3520 представлен образованием разных типов химических связей с поверхностью сорбента, внутридиффузной сорбцией в межплоскостное пространство его кристаллической решетки и реакцией ионного обмена.

Методы исследования. В работе использованы методы физико-математического моделирования процессов диффузии в почве, методы математического моделирования на ЭВМ, специальный комплекс физико-химических, аналитических и прикладных исследований.

Достоверность результатов проведенных исследований, обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в работе, подтверждаются анализом и обобщением предшествующих научных исследований; комплексом физико-химических, аналитических, математических, полевых исследований, выполненных в аккредитованной лаборатории экологического мониторинга природных и техногенных сред Иркутского государственного технического университета, а также результатами опытно-промышленных испытаний, давших эколого-экономический эффект.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-практических конференциях «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (Иркутск, 2009-2011), на региональных научно-практических конференциях «Вопросы экологической безопасности и охраны окружающей среды» (Иркутск, 2009-2011); Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы безопасности природно-технических систем и общества. Современные риски и способы их минимизации» (Иркутск, 2009-2011); «Актуальные научно-технические проблемы химической безопасности» (Москва, 2011); заседаниях весенней научной сессии Восточно-Сибирского отделения Академии проблем водохозяйственных наук. (Иркутск, 2010 г.), круглого стола «Охрана экосистемы озера Байкал и рациональное природопользование» на VI Байкальском международном экономическом форуме (Иркутск, 2010); Министерстве природных ресурсов и экологии Иркутской области (Иркутск, 2009-2010); Международном Салоне «Комплексная безопасность 2011» (Москва, 17-20 мая 2011).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 20 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных высшей аттестационной комиссией.

Общая структура диссертации. Диссертация изложена на 157 страницах и состоит из введения, 5 глав. Содержит 103 библиографических источника, 27 таблиц, 53 рисунка и 4 приложения.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Качор, Ольга Леонидовна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

Выполненное диссертационное исследование является развитием научных и практических основ экологически безопасных технологий комплексной переработки мышьяксодержащих отходов горноперерабатывающей промышленности. В работе изложены теоретическое обоснование и технические решения важной народнохозяйственной задачи эколого-экономически эффективной рекуперации техногенного сырья, вносящие значительный вклад в обеспечение экологической безопасности, устойчивого экономического и социального развития Байкальского региона.

Основные научные и прикладные результаты сводятся к следующему:

1. Ореолы рассеяния мышьяка и тяжелых металлов в почве территории промплощадки техногенного месторождения АМЗ имеют эллипсовидную форму размером 200x400 м. Превышение концентрации мышьяка в почве промплощадки составляет 10—4000 ПДКп (ПДКп 2 мг/кг); сурьмы 30-200 ПДКп (ПДКп 4 мг/кг); свинца 10-300 ПДКп (ПДКп32 мг/кг); меди 390 ОДКп (ОДКп 33 мг/кг); цинк 10-130 ОДКп (ОДКп 55 мг/кг).

2. Геохимическая миграция мышьяка и тяжелых металлов в почве промышленной площадки АМЗ происходит в виде анионов: АзОг", Н2А804" , НАбО/", АбО^"; катионов: Аз3+, ЭЬО+, ВЮ+, Си2+, гп2+, РЬ2+; взвесей и подвижных тонкодисперсных систем. Значимые корреляционные связи между мышьяком и ртутью составляют - 0,92, кадмием и цинком - 0,66, кадмием и свинцом - 0,68, свинцом и цинком - 0,7. Динамика накопления мышьяка и тяжелых металлов в поверхностном слое почвы в границах контура отвала АМЗ может быть описана уравнениями корреляции: для мышьяка (у = -2.642х2 + 26.95х + 2250), меди (у = -2.285х2 + 30.51х + 6659), сурьмы (у = -0.521х2 + 4.838х + 304.8), свинца (у = -2.357х2 + 20.24х + 1806), цинка (у = -2х2 + 18.2х + 978.4), где х - время, год; у - концентрация мышьяка в почве, мг/кг; при этом коэффициенты детерминации в среднем составили 0,98.

3. Уровень мышьяка в биосубстратах волос и ногтей у большинства обследованных учащихся школ исследуемого района превышал допустимые референтные значения в 4,7 раз.

4. Механизм обезвреживания мышьяксодержащих отходов, заключается в образовании труднорастворимого соединения арсената кальция и реакции замещения серы в гипсе мышьяком с образованием в его структуре труднорастворимого соединения фармаколита.

5. Экзотермическая сорбция ионных форм соединений мышьяка на угольном сорбенте ТЧогк ЯО 3520 представлена образованием карбоксильных - в области 1540-1650 см"1 и гидроксильных - в области 3680 см"1 связей с поверхностью сорбента, внутридиффузной сорбцией в межплоскостное пространство его кристаллической решетки и реакцией ионного обмена с энергией активации 45 кДж/моль.

6. Разработанная экологически безопасная рекуперативная технология переработки мышьяксодержащих отходов горноперерабатывающей промышленности, включающая в себя стадию сорбционной доочистки промывных вод, позволяет использовать их в замкнутом водообороте.

7. Применение для обезвреживания отходов АМЗ в качестве связующего агента ЗШЛ, содержащей до 70 % у - А1203, позволяет снизить дозу Са(ОН)2 в 1,5 раза. Доза Са(ОН)2 и ЗШЛ в пересчете на 1 т составляет 100 кг и 25 кг, соответственно.

8. Внедрение разработанной рекуперативной экологически безопасной технологии обезвреживания мышьяксодержащих отходов позволит получить экономический эффект за счет извлечения золота 340 млн. руб. Экологический эффект от предотвращения загрязнения почв тяжелыми металлами составит 256 млн. руб. Прогнозируемое снижение канцерогенного риска на миллион человек составит 677 случаев онкозаболеваний.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Качор, Ольга Леонидовна, Иркутск

1. ГОСТ 17.4.1.02-83. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. Введ. 01.06.83. М.: Изд-во стандартов, 2000.

2. СанПиН 2.1.7.1322-03 Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления, утвержденные 30 апреля 2003 г. Доступ из справочной системы «Гарант».

3. СанПиН 42-128-4690-88. Санитарные правила содержания территорий населенных мест. Доступ из справочной системы «Гарант».

4. Указ Президента РФ от 04.02.94 г. № 236 «О государственной стратегии РФ по охране окружающей среды и обеспечения устойчивого развития». Доступ из справочной системы «Гарант».

5. Федеральный закон РФ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» от 30.03.99 г. № 52-ФЗ. Доступ из справочной системы «Гарант».

6. Федеральный закон РФ «О федеральном бюджете на 2006 год» № 189-ФЗ от 26 декабря 2005 г. Доступ из справочной системы «Гарант».

7. Федеральный закон РФ «Об отходах производства и потребления» № 89-ФЗ от 24.06.1998 г. Доступ из справочной системы «Гарант».

8. Федеральный закон РФ «Об охране окружающей среды» №7-ФЗ от 10 января 2002. Доступ из справочной системы «Гарант».

9. Абрамов A.A. Технология переработки и обогащения руд цветных металлов: учеб. пособие. М. : Изд-во МГГУ, 2005.

10. Атлас. Иркутская область. Экологические условия развития. -М. Иркутск: изд-во ИГ СО РАН, Роскартография, 2004.

11. Балашова С.П. Тяжелые металлы // Экология и промышленность России. 2001. № 3. С. 24-26.

12. Безопасность жизнедеятельности / С.С. Тимофеева, Н.В. Бав-дик, Н.М. Линдинау, и др.: лаб. работы. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. 2005. 4.1. 139 с.

13. Беллами JI. Инфракрасные спектры сложных молекул. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963.

14. Беспамятнов Г.П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: справочник. JL: Химия, 1985.

15. Богданов A.B., Столярова Е.А. Оценка риска здоровью человека от техногенных источников загрязнения окружающей среды // Вестник Белгородского государственного технического университета. 2004. №8. Ч. III. С.64-66.

16. Богданов A.B., К.В. Федотов, А. В. Аксенов, Качор O.JI. Рекуперативная технология обезвреживания отвалов пирометаллургического производства // Экология и промышленность России. 2009, октябрь. С.10-14.

17. Богданов A.B., Качор O.JL, К.В.Федотов. Рекуперативная технология обезвреживания мышьяксодержащих отходов // Экология и промышленность России. 2011, январь. С. 8-9.

18. Величко Б.А. Сорбция мышьяка фитосорбентами // Экология и промышленность России. 2002. № 8. Доступ из справочной системы «Гарант».

19. Галицкая И.В. Методические исследования формирования геохимической опасности и риска на урбанизированных территориях//Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокринология. 2007. № з. с. 225-234.

20. Гамаюрова B.C. Мышьяк в экологии и биологии. М.: Наука, 1993.

21. Геохимия окружающей среды Прибайкалья. Байкальский геоэкологический полигон / В.И. Гребенщикова, Э.Е. Лустенберг, H.A. Кита-ев, и др.. Новосибирск: Изд-во Гео, 2008. 235 с.

22. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Иркутской области в 2009 году (колл. авторов, участники от ИГХ СО РАН: Коваль П.В., Черняго Б.П. и др.). Иркутск, 2010, 585 с.

23. Давыдова С.Л. Тяжёлые металлы как супертоксиканты XXI века. М.: Изд-во РУДН, 2002.

24. Девисилов В.А. Охрана труда: учебник. М.: ФОРУМ: ИН-ФРА, 2007. 448 с.

25. Дюсебаев М.К. Пылеподавление пеной на горнорудных предприятиях. Алма-Ата: Наука, 1989. 200 с.

26. Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. М.: Наука, 1993.

27. Запольский А.К., Баран A.A. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: Свойства. Получение. Применив. Л.: Химия, 1987. 208 с.

28. Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов М. : Металлургия, 1975.

29. Ильин В. Б. Тяжёлые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991.

30. Иркутская область (природные условия административных районов) / Н.С. Беркин и др.. Иркутск: ИГУ, 1993.

31. Исследование локальной очистки сильнозагрязненных сточных вод с применением гидрохлоридов первичных аминов: отчет о НИР / Иркутский политехнический институт, рук. Леонов С.Б. № 01860022212. Иркутск, 1988. 136 с.

32. Исследование локальной очистки сильнозагрязненных сточных вод с применением гидрохлоридов первичных аминов: отчет о НИР / Иркутский политехнический институт, рук. Русецкая Г.Д. № ГР 01821027708. Иркутск, 1988. 67 с.

33. Кировская H.A. Адсорбционные процессы. М. 1975. 290 с.

34. Комплексная переработка отходов производств ЦБП: монография / A.B. Богданов и др.. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. 28 с.

35. Контопулос А.А, Стефанакис М.Н. Выбор технологии для переработки упорного концентрата золота с предприятия «Олимпас»: авто-реф. дис. . канд. техн. наук: 25.00.22. Иркутск, 1991. 16 с.

36. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды / под ред. Л.К. Исаева. СПб.: Изд-во С-Петерб. гос. техн. ун-та, 1998.

37. Крешков А.П. Основы аналитической химии. М: Химия, 1976. 498 с.)

38. Лодейщиков В.В. Рациональное использование серебросо-держащих руд. М.: Недра, 1968.

39. Лодейщиков В.В., Панченко А.Ф., Шамис Л.А. Разработка и исследование металлургического процесса извлечения благородных и редких металлов из руд и концентратов // Науч. тр. Иргиредмета. Иркутск, 1972. Вып. 27. С. 100-103.

40. Лос К.С. Синтетические яды : учеб. пособие / под ред. И.Л. Кнунянца; пер. с нем. Ф.Л. Макляева и др.. М. : Изд-во иностранной литературы, 1963.

41. Лужков Ю.А. Оценка экологических последствий деятельности горно-промышленного комплекса (на примере Черемховского угольного бассейна в Иркутской области): дис. . канд. техн. наук: 25.00.36: защищена 21.05.10: утв. 12.07.10. Иркутск, 2010. 218 с.

42. Методика расчета вредных выбросов (сбросов) для комплекса оборудования открытых горных работ. Люберцы: Минтопэнерго РФ ННЦГПНИГД им. А.В.Скочинского. 1999. 59 с.

43. Мироненко С.Л. Проблемы гидрогеоэкологии : в 3 т. М. : Изд-во МГГУ, 1998. Т.1: Теоретическое изучение и моделирование геомиграционных процессов.

44. Михайлов A.M. Охрана окружающей среды при разработке месторождений открытым способом. М.Недра, 1984. 183 с.

45. Мышьяк: гигиенические критерии состояния окружающей среды. Женева: ВОЗ, 1985. Т. 18

46. Накамото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений. М.: Изд-во Мир, 1966. 411 с.

47. Никифорова И.А. Комплексная оценка состояния атмосферного воздуха территориально-производственного центра // Безопасность жизнедеятельности. 2007. №6. С. 33-35.

48. Новый справочник химика и технолога. Основные свойства неорганических, органических и элементорганических соединений. СПб.: НПО Мир и семья, 2002.

49. Отчет «Опытно-промышленные исследования технологии переработки отвалов Ангарского металлургического завода на территории муниципального образования «г. Свирск». Иркутск: ИрГТУ, ООО НИиПИ «ТОМС», 2008 г.

50. Отчет по муниципальному контракту «Выполнение работ по разработке технико-экономического обоснования проекта по ликвидации загрязнения территории города Свирска мышьяком». Иркутск: ИрГТУ, ООО НИиПИ «ТОМС», 2009 г.

51. Отчет по муниципальному контракту «Выполнение работ по разработке технико-экономического обоснования проекта по ликвидации загрязнения территории города Свирска мышьяком. Второй этап». Иркутск: ИрГТУ, ООО НИиПИ «ТОМС»2010 г.

52. Певзнер М.Е. Горная экология : учеб. пособ. для вузов. М.: МГГУ, 2003. 395 с.

53. Переработка осадка после химической очистки промстоков ОАО БЦБК. Технологический регламент № 0016-014-45.

54. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб.: НИИ Атмосфера, 2002.

55. Проведение эколого-геохимических исследований на территории Свирска Иркутской области: отчет о НИР / Иркутск, гос. ун-т; рук. А.Н. Фалилеев. Иркутск, 1991. 40 с. - № ГР01900043633. - Инв. № 273254.

56. Пучков A.B. Человек и биосфера: вхождение в техносферу : учебник для вузов. М. : Изд-во МГГУ, 2000 .

57. Развитие научных и практических основ технологий комплексной переработки осадков карт-шламонакопителей: монография / А.В.Богданов и др.. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 204 с.

58. Разработка проекта технической рекультивации карт накопителей шлам-лигнина БЦБК: отчёт о НИР / Сибирская экологическая компания; рук. Н.В. Алексеева. Иркутск, 1999. 173 с. - № ГР0190004633. Инв. № 02734.

59. Рекламный проспект фирмы «Molten Metal Technologies», 1998.

60. Родзевич H.H. Геоэкология и природопользование: учебник для пед. вузов. М. : Дрофа, 2003.

61. Розловский А.А, Богданов В.А. Переработка мышьяковистых полупродуктов предприятий цветной металлургии / A.A. Розловский, В.А. Богданов // Цветные металлы. 2003. № 2. С. 30-32.

62. Русецкая Г.Д., Богданов A.B. Флотационное выделение гид-роксидов металлов из сточных вод гальванического производства // Охрана природных ресурсов: тез. докл. конф. (18-19 окт., Иркутск). Иркутск, 1988. С. 2-3.

63. Рцхиладзе В.Г. Мышьяк. М.: Просвещение, 1985.

64. Седельникова Г.В, Савари Е.Е, Ким Д.Х. Использование биотехнологии перспективный путь вовлечения в эксплуатацию месторождений с упорными рудами золота // Горный журнал. 2006. №10. С. 52-57.

65. Системный анализ схемы очистки сточных вод и уплотнения осадка коллоидного типа при безотходной технологии их переработки / Г.Д. Русецкая, A.B. Богданов и др. // Рациональное природопользование: тез. докл. конф. (14-17 мая), Цахкадзор. 1988. С. 50-53

66. Смертоносная свалка / Информационно-аналитическое Интернет-издание «ОЛИГАРХ, net». Режим доступа:http://www.oligarh.net/?/digest/11250 (24 авг. 2007).

67. Справочник по гидрохимии.// Под ред. A.M. Никанорова. -Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 486 с.

68. Турбина З.И., Козьмин Ю.А., Копылов Н.И. Получение нетоксичных мышьяксодержащих соединений сплавлением арсената кальция со шлаками // Цветные металлы. 2003. № 2. С. 33-34.

69. Тыщук В.Ю., Ермак Л.Д., Ковалев В.М. Исследование влияния водных растворов ПАВ в скважинных гидрозабойках на эффективность пылеподавления при массовых взрывах на карьерах. Украина

70. Усачев А Б. Способ переработки отходов в борбатируемом шлаковом расплаве Роменецидр, A.c. 1315738, МКИ СССР 1986 г.

71. Ушаков И.Б. Экологический риск и качество жизни // Экология человека. 2004. № 6. С.7-14.

72. Федорчук В.П. Минеральное сырье. Мышьяк: справочник. М.: ЗАО Геоинформмарк, 1999.

73. Федотов К.В., Потемкин A.A., Белобородов В.И. Практика освоения мелких и средних коренных месторождений золота модульными фабриками. // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. HTJI «ТОМС». Специальный выпуск. 2003. № 9.

74. Хоружая Т.А. Оценка экологической опасности. Обеспечение безопасности. Методы оценки рисков. Мониторинг: учеб. пособие для вузов. М. : Книга сервис, 2002.

75. Цыциктуева JI.A. Экология и промышленность России // Обезвреживание токсичных отходов. 2000. №8. С. 35-36.

76. Черный К.Н. Кучное выщелачивание золота в круглогодичном режиме // Горный журнал. 2006. № 1. С. 19-20.

77. Шарыгина И.Г., Лебедев Б.Н., Салин A.A. Изоляция поверхности мышьяксодержащих рудных частиц // Металлургия и металловедение: Сб. науч. трудов. Алма-Ата: Каз. политехи, ин-т, 1979. Вып.З. С. 3638.

78. Шульгин А.И. Экология и промышленность России // Эффективная технология рекультивации нарушенных земель. 2000. № 3. С. 29-32.

79. Эйхлер B.C. Яды в нашей пище. М.: Мир, 1993.

80. Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: Материалы межд. науч.-практ. конф. Иркутск: ИрГТУ, 2005.

81. Эколого-экономическая характеристика шлам-лигнина Байкальского ЦБК и процессов его утилизации: отчет НИР / Институт экологической токсикологии, рук. Трошева Е.И., 1989. 250 с.

82. Ясаманов H.A. Основы геоэкологии : учеб. пособие для вузов. М. : Академия, 2003 .

83. Бейм A.M., Глазер В.М., Котелевцев С.В. Изучение мутагенных эффектов шлам-лигнина // Проблемы экологической химии и токсикологии в охране природы: сб. науч. тр. Байкальск, 1990. С. 34-35.

84. Button G.D., «Paper Fradey», 1971, v. 155, № 46, p.84, 85.

85. Cobbin, Uernan L. Colunm flotation Gasper / Uernan L. Cobin // 14 th int Miner Process Congr. World Wide ind Appl Miner Process technol. Toronto, 17-28 oct. 1982. Toronto: Propz. Ses 7-8, S.L. Sa 21/1-21/19.

86. Kawai S. Degradation mechanism of phennolic-0-4 lignin substructure model compounds by laccase of Ceriolus Versiocolor / Kawai S., T. Higuchi // Biotechnology in the Pulp and paper Industry: Fourth International Conference. 1989. - p. 105-107.

87. Wasserlauf M., «Can. Publ. a. Pap. Ind», 1974, v.27, № Ц, p.3337.

88. Волков В. А. Коллоидная химия Электронный ресурс. http://www.xumuk.ru/colloidchem/213 .html

89. Горная энциклопедия / http://www.miningexpo.ru/useful/3534

90. Иновационные технологии в строительстве дорог и ПГС / http://www.paragongroup.ru/lbs2.html

91. Региональное отделение КМА Академии горных наук Российской Федерации. Электрон, дан. - М.: Рос. гос. б-ка, 2003. Режим доступа: http:// www.ekoresurs.hl.ru, свободный. Заглавие с экрана.

92. Электрон, дан. М.: Рос. гос. б-ка, 2004. - Режим доступа: http:// www.biology.karelia.ru/, свободный. Заглавие с экрана.

93. Электрон, дан. Режим доступа: http://ekodem. com.ua/, свободный. Заглавие с экрана.

94. Электрон, дан. Режим доступа: http://www. cooking.ru/, свободный. Заглавие с экрана.

95. Электрон, дан. Режим доступа: http://www. ecodem.ru/, свободный. Заглавие с экрана.

96. Энциклопедия горного дела. Режим доступа: ЬИр://тах}-ехкауа1ог.ш/агйс1е8/епсус1оре(На/Чс1са1= 15~раае=4, свободный. - Заглавие с экрана.143