Проблемы охраны водной среды в горном деле

1. Основные потребители воды в горном деле

2. Структура промышленных сточных вод и регулирование водного потока

3. Условия образования и состав сточных вод горных предприятий

4. Качество воды, анализ сточных вод, ПДК и ПДС вредных веществ в сточных водах

5. Способы и методы очистки и обеззараживания сточных вод горных предприятий

• 5.1 Механическая очистка
• 5.2 Физико-химическая очистка
• 5.3 Общая схема борьбы с загрязнением воды
• 5.4 Очистка шахтных вод угольных месторождений

6. Охрана водной среды

• 6.1 Охрана поверхностных и подземных вод
• 6.2 Охрана водной среды методом тампонажа

7. Мероприятия по снижению уровня загрязнения воды Заключение Список использованной литературы

В 1990 г. человечество забирало из водных источников для своих нужд примерно воды в год, в том числе для промышленных целей порядка. С начала текущего столетия общее водопотребление в мире возросло в 8 раз, а на промышленные цели — более чем в 20 раз. В 2000 г. водопотребление достигло .

Водное хозяйство горной промышленности отличает то, что забор воды и сброс ее в процессе добычи превышает потребление воды на производственные нужды отрасли более чем в 3 раза, причем для шахт — в 7 раз, для разрезов — в 4,5 раза.

В настоящее время охрана вод от загрязнения и истощения на территории России регламентируется Основами водного законодательства страны, водными кодексами и на их основе постановлениями соответствующих органов о порядке использования вод, правилами их охраны.

В соответствии с Конституцией Российской Федерации все воды (водные объекты) составляют единый государственный фонд и предоставляются только в пользование.

Высшей формой учета является Государственный водный кадастр (содержит данные, характеризующие вещественный состав государственного фонда).

Важная роль в водном законодательстве отводится регулированию водных отношений. За государством закрепляются функции:

1. Распоряжение фондом;

2. Установление основных положений в области использования вод;

3. Охрана от загрязнения, истощения;

4. Предупреждение и ликвидация вредного воздействия вод;

5. Установление нормативов водопользования, требований к качеству вод, их потребления, регистрации водопользователей;

6. Утверждение схем комплексного использования и охраны вод;

7. Государственный контроль за использованием и охраной вод и установление порядка его осуществления.

Основы водного законодательства обязывают предприятия — водопользователей содержать в исправном состоянии очистные и другие водохозяйственные сооружения, влияющие на состояние вод. Предусматривается обязательное обеспечение рационального и комплексного использования вод при условии первоочередного удовлетворений питьевых и бытовых нужд.

Для нарушителей водного законодательства установлены следующие виды ответственности: административная, дисциплинарная материальная и уголовная. Специфической мерой ответственности является лишение или прекращение права водопользования.

1. Основные потребители воды в горном деле

Водопотребление при добыче и переработке полезных ископаемых обычно связано с хозяйственно-бытовыми и коммунальными нуждами, производственными и техническими, а также с пожаротушением. Для этого используют системы водоснабжения, в состав которых входят водозаборные сооружения, насосные станции, станции очистки и подготовки воды, магистральные или разводящие трубопроводы или каналы, резервуары и водонапорные башни, а также вспомогательные сооружения: лаборатории, склады и др.

В соответствии с видами водопотребления системы водоснабжения разделяются на хозяйственно-питьевые, технические (производственные) и противопожарные. Они могут быть как раздельными, так и совмещенными, по способу подачи воды — самотечными, с механической подачей и зонными, а по способу ее использования — прямоточными, оборотными, с повторным использованием.

В прямоточных системах вся забираемая вода задействована в технологических или других процессах однократно, после чего передается на очистку и сброс. В оборотных системах предусматривается многократное использование воды без сброса ее в природные водные объекты, но каждый цикл использования должен предусматривать при необходимости очистку (кондиционирование). Для компенсации безвозвратных потерь производится постоянная или периодическая подпитка систем оборотного водоснабжения. Повторно-последовательное использование воды предусматривает несколько технологических процессов, а затем очистку воды и сброс.

Основные направления совершенствования водопотребления горнодобывающих предприятий — сокращение потребления воды питьевого качества из рек, озер и городского водопровода, а также расширение использования шахтных и карьерных вод для хозяйственно-бытовых и технических нужд. Для этого проводится детальный анализ работы горного предприятия и разрабатывается ситуационный план (графический документ) расположения водных объектов, инженерных сооружений и устройств по использованию и охране водных ресурсов, на котором показано расположение на местности всех водных объектов, линий водопотребления и водоотведения, водозаборов и других сооружений.

Рис. 1. Ситуационный план: 1 -рудник; 2 — обогатительная фабрика; 3 — пульповод; 4 — очистные сооружения шахтных вод; 5 — очистные сооружения сточных вод водообогатительной фабрики; 6 — отстойник; 7 — поселок

Один из наиболее важных графических документов, по которому можно судить об эффективности использования водных ресурсов на предприятии, — схема водопотребления и водоотведения — включает в себя следующие основные элементы:

· откачку подземных вод при разработке месторождения;

· истощение запасов поверхностных и подземных вод при их дренировании;

· использование откачиваемой воды самим предприятием;

· увеличение запасов поверхностных и подземных вод в результате сброса отработанных вод;

· загрязнение природных вод;

· удовлетворение потребностей горного предприятия в технической и пресной воде за счет водоснабжения извне или передачу воды другим откачку подземных вод при разработке месторождения;

Для более детального учета водных ресурсов составляются балансовые схемы, где для каждого участка указаны количество и химический состав протекающей воды, а также воды, потерянной для отдельных технологических агрегатов, звеньев и предприятия в целом. Данные из балансовых схем помещают по операциям в таблицу водного баланса, которая позволяет увидеть, в каких звеньях водные потери максимальны и где можно повысить эффективность использования водных ресурсов.

На горных предприятиях основные водопотребляющие процессы организованы на оборотной системе водоснабжения, на пополнение которой используют карьерные, шахтные и дренажные воды. При этом добыча открытым способом обеспечивает 67% оборотного водоснабжения, подземным (механическим) — 48%, подземным (гидравлическим) — 94%, обогащение (от общего водопотребления) — 92%.

2. Структура промышленных сточных вод и регулирование водного потока

Промышленные воды строящихся шахт, рудников и карьеров формируются преимущественно из сопутствующих вод атмосферного и подземного происхождения, загрязненных вследствие водной эрозии отвалов пустых пород и некондиционных полезных ископаемых.

Горнопромышленной сточной называют также воду, которая после одноили многократного использования в технологических процессах становится непригодной для дальнейшего применения по прямому назначению и подлежит сбросу или использованию в другом производстве.

По степени загрязненности и условиям образования такие воды могут быть разделены на чистые или циркуляционные (оборотные); условно чистые; загрязненные промышленные; загрязненные ливневые.

Чистыми или циркуляционными (оборотными) называют воды, качество которых в процессе их использования практически не ухудшается, что позволяет многократно использовать их без специальной обработки. Эти воды подлежат только периодическому сбросу и замене при накоплении в них продуктов коррозии трубопроводов и оборудования или эрозии железобетонных сооружений.

Условно чистыми называют воды, ухудшение качества которых делает их непригодными для повторного использования в процессе, но не исключает возможности применения их для процессов с менее жесткими требованиями к воде либо допускает их в водоем или канализацию без специальной обработки (очистки).

Загрязненными горнопромышленными (промстоками) называют воды, которые в процессе использования настолько загрязняются исходным сырьем, что их нельзя не только употреблять в дальнейшем, но и сбрасывать без очистки из-за токсичности, агрессивности или других отрицательных свойств. С учетом вида и содержания загрязнений промстоки отводят и очищают одним общим или не несколькими самостоятельными потоками в зависимости от основных загрязнителей: потоки нефтесодержащие, кислотно-щелочные, хромсодержащие, циансодержащие, содержащие красители, токсичные органические загрязнения и т. п. Тем самым упрощают обработку промстоков, а также предотвращают образование взрывои огнеопасных продуктов или выделение ядовитых газов при взаимодействии веществ, содержащихся в различных видах промстоков. Иногда целесообразно разделять промстоки, одинаковые или близкие по качественному составу, но значительно различающиеся по количеству загрязнений.

Загрязненные ливневые воды образуются на сильно загрязненных участках территории предприятий: стоянках транспорта, открытых площадках для хранения сырья, горючесмазочных материалов (ГСМ), отходов производства и т. п. В этих водах чаще всего содержатся взвешенные вещества (пыль, грязь, нефтепродукты и др.), которые попадают в зону действия ливня. Объем загрязненных ливневых вод нередко бывает весьма значительным.

Для снижения воздействия горнодобывающей промышленности на состояние водных ресурсов принимаются различные меры, направленные на уменьшение водопритоков в горные выработки:

· организация предварительного осушения;

· заградительный дренаж (в том числе контурный и с использованием систем водопонизительных и водопоглощающих скважин), а также поглощающий дренаж с обособленным отводом воды;

· изоляция водоисточников, например водонепроницаемыми завесами (экранами);

· создание надежных систем канализации ливневого и талого стоков с территории горного отвода;

· откачка талых и дождевых вод из мест оседаний и провалов;

· нормированный расход технологической воды.

Осушение в горном деле — совокупность технических мероприятий, снижающих обводненность месторождений полезных ископаемых и регулирующих режим притоков воды в горные выработки при строительстве горных предприятий и эксплуатации месторождений со сложными гидрогеологическими условиями. Тем самым создаются экономически эффективные и безопасные условия ведения горных работ, а также обеспечивается охрана недр и водных ресурсов. Поэтому, как правило, горнодобычные работы сопровождаются искусственным водопонижением. Только при добыче угля из шахт и разрезов откачивается около 14 км³ воды в год. Сброс откачиваемых и сточных вод ведет к загрязнению поверхностных водных объектов различными солями, нефтепродуктами и тяжелыми металлами.

Осушение включает отвод поверхностных вод, снижение уровня подземных вод, откачку и отвод воды из горных выработок за пределы месторождения полезных ископаемых. Для отвода поверхностных вод (из заболоченных участков, озер, рек, мульд оседания) выполняют:

· перехват склонового стока с помощью нагорных канав и дамб;

· экранирование русел водопритоков в пределах шахтных и карьерных полей;

· удаление воды самотеком из водоемов и водотоков за пределы месторождения полезных ископаемых по канавам, трубам или откачкой насосами;

· откачку ливневых и талых вод из мульд оседания насосами, устанавливаемыми обычно на понтонах.

Для снижения уровня подземных вод на участках ведения горных работ используют дренажные и барражные устройства.

Дренаж — способ осушения территории месторождений полезных ископаемых и массивов горных пород путем сбора и отвода подземных гравитационных вод в естественные русла (реки, озера и т. п.) или искусственные сооружения (каналы, горные выработки и др.).

Дренажные устройства разделяются на поверхностные, подземные и комбинированные. К поверхностным относятся вертикальные водопонижающие и водопглощающие скважины, горизонтальные дренажные скважины, иглофильтровые установки и опережающие поверхностные траншеи, к подземным — дренажные штреки, сквозные фильтры, восстающие скважины, водопонижающие колодцы, а также опережающие выработки (горизонтальные и наклонные скважины). Комбинированные дренажные устройства включают комплекс поверхностных и подземных выработок.

По схеме расположения в плане дренажные устройства делят на кустовые, линейные и контурные, сетчатые, а в разрезе — на однои многогоризонтные, коллекторные и бесколлекторные; по срокам сооружения — на опережающие, параллельные и совмещенные; по срокам службы — на стабильные и скользящие (вслед за подвиганием забоя).

Водопонижающие скважины (диаметром) бурят для снижения уровня (напора) в водоносных горизонтах мощностью свыше, залегающих на глубине, и характеризуемых коэффициентом фильтрации более 1, до подошвы горизонта, при пересечении горизонта устанавливают фильтры или перфорированные трубы (в трещиноватых породах). После прокачки и очистки (обычно эрлифтом) скважина оборудуется погружным насосом.

Водопоглощающие скважины сооружают для перепуска воды из верхнего горизонта с низкими фильтрационными свойствами в нижние с более высокими фильтрационными свойствами. Разность уровней воды в дренируемом и поглощающем горизонтах поддерживается обычно водопоглощающими скважинами. По конструкции водопоглощающие скважины аналогичны водопонижающим.

Горизонтальные дренажные скважины (диаметром, длиной) сооружают для самотечного осушения уступов карьеров в песчаных породах.

Иглофильтровые установки с коэффициентом фильтрации позволяют временно и локально понизить уровень подземных вод в песчаных и песчано-глинистых породах от (передвижные) до (эжекторные).

С помощью опережающих траншей снижается уровень воды в маломощных (до) и неглубоко (до) залегающих водоносных горизонтах.

Дренажные штреки предназначены для дренажа полезных ископаемых и водоносных горизонтов, расположенных вблизи кровли и почвы полезного ископаемого. Дренаж осуществляют через стенки выработок, естественные трещины и тектонические нарушения, а при наличии водоупорных пород (мощностью более) в кровле и почве полезного ископаемого — с помощью дренажных скважин. Дренажные штреки сооружаются на карьерах со сложными гидрогеологическими условиями; на шахтах обычно роль дренажных штреков выполняют подготовительные выработки.

Сквозные фильтры — скважины диаметром, пробуренные с земной поверхности до кровли подземной выработки (или дренажного штрека), обсаженные трубами, оборудованные фильтрами в интервале водоносных пород; предназначены для дренажа водоносных горизонтов мощностью более, залегающих над полезным ископаемым на расстоянии свыше. Восстающие скважины (диаметром) бурят из подземных горных выработок и оборудуют фильтрами в интервале водоносных горизонтов. Их применяют для дренажа водоносных горизонтов, залегающих на расстоянии от кровли выработки.

Водопонижающие колодцы — вертикальные горные выработки, которые закладывают на пониженных участках почвы выработки для понижения напора в водоносных горизонтах, залегающих ниже подошвы выработки. Для откачки воды употребляют центробежные насосы.

Опережающие скважины (диаметром) бурят из подземных горных выработок в направлении обводненных участков, содержащих напорные воды, чтобы предупредить внезапные прорывы воды, а также провести предварительный дренаж обводенных пород, залегающих впереди фронта горных работ.

Дренажные системы по сравнению с барражными не исключают попадания (проскока) подземных вод через заградительный контур в горные выработки: размер проскока воды, например, на некоторых шахтах и карьерах достигает динамического потока.

Длительный дренаж водоносных горизонтов нарушает гидравлические и гидрохимические режимы подземных и поверхностных вод в районах эксплуатации месторождений (снижает уровень подземных вод в радиусе нескольких десятков километров, способствует появлению депрессионных воронок, истощению водных ресурсов, загрязнению поверхностных водотоков и водоемов шахтными и карьерными водами), изменяет природный ландшафт.

Барраж — способ защиты шахт и карьеров от подземных вод путем полного или частичного ограждения горных выработок водонепроницаемыми устройствами. При этом уровень подземных вод снижается за счет водоотлива или дренажа, а вне пределов водонепроницаемых устройств остается близким к естественному или несколько повышается в результате подпора.

Барраж обеспечивает охрану ресурсов подземных вод, снижает эксплуатационные расходы на осушение (откачка статичных запасов воды в пределах контура защищенного участка). Для него используют инфузионные, инъекционные, криогенные и шпунтовые барражные устройства (завесы).

Инфузионные (заливные, засыпные) устройства представляют собой узкие вертикальные выработки (щели или траншеи), пройденные специальными машинами, траншеекопателями и экскаваторами до водоупорной подошвы обводненных песчаных, гравелистых или галечных пород и заполненные глиной, глиноцементным раствором, рулонным синтетическим материалом и др. Применяется при небольшой глубине залегания водоупоров (до 50 м), выдержанных (в плане и разрезе) водоносных горизонтах и слабой проницаемости разрабатываемых пород.

Инъекционные (нагнетательные) устройства основаны на цементации, глинизации, силикатизации и смолизации пород через нагнетательные скважины. По сравнению с инфузионными они требуют небольшого расхода тампонажного материала и применяются на глубинах до нескольких сотен метров.

Криогенные (ледопородные) барражные устройства создаются путем искусственного понижения температуры породи замораживания содержащейся в них воды. Они обычно применяются как временное сооружение при проходке стволов шахт в любых породах.

Шпунтовые устройства сооружаются путем забивки металлических, бетонных и других свай в песчано-глинистые породы (без крупных включений крепких пород) при небольших глубинах залегания и толщине водоносных пород.

По схеме расположения в плане барражные устройства разделяются на линейные и контурные, замкнутые и незамкнутые; по схеме расположения в разрезе — на совершенные, заглубленные на в водоупор, и несовершенные, не доходящие до водоупора (применяются в скальных породах с затухающей вглубь трещиноватостью).

Откачка и отвод вод за пределы шахтных и карьерных полей осуществляется с помощью устройств водоотлива и водоотвода. Система водоотлива подразделяется на участковые и общешахтные.

Водозащита горных выработок — система мероприятий по предотвращению или ограничению поступления в горные выработки (главным образом в добычные забои) поверхностных, подземных и шахтных вод. Водозащита от поверхностных вод включает в себя мероприятия по осушению месторождения полезных ископаемых и дополнительно:

· тампонирование трещин оседания на поверхности земли (в шахтах) глинистым и другим материалом или выравнивание и утрамбовка краев мульд оседания;

· применение систем разработки без оставления выработанных пространств (с их закладкой).

Типы осушения месторождений необходимо дифференцировать в зависимости от вида полезного ископаемого.

Водопритоки с горных предприятий направляются по путям, обеспечивающим минимальное дополнительное загрязнение окружающей среды. Для этого роют изолированные от горного массива водоотливные канавы, на шахтах устраивают промежуточные водосборники нестандартного типа для незагрязненных вод, на карьерах регулируют внутрикарьерный сток, используя временные отстойники. Кроме того, шахтные воды очищают (осветляют от механических примесей, нейтрализуют, извлекают органические соединения, соли и металлы физическими, химическими и биохимическими методами), используют в замкнутом цикле горнодобывающего и рудоперерабатывающего производств.

Требования к сбрасываемым сточным водам. Чтобы не нарушалась работа сооружений и не ухудшались условия эксплуатации, сбрасываемые в городскую канализацию воды должны удовлетворять определенным требованиям. Основные из них: производственные сточные воды не должны быть агрессивными по отношению к материалам канализационных сетей, сооружений и их оборудования; не должны содержать примесей такой крупности и удельного веса, которые могли бы засорять канализационную сеть или откладываться на дне и на стенках труб и каналов; не должны содержать горючих примесей (бензина, нефти, масел, эфиров и т. п.), а также растворенных газообразных веществ, которые могут образовать взрывоопасные смеси в трубах и каналах канализационной сети, в приемных резервуарах насосных станций и в очистных сооружениях; температура смеси городских и производственных сточных вод в месте выпуска не должна превышать .

Условия выпуска горнопромышленных сточных вод в поверхностные водоемы (реки, озера, водохранилища, моря) регламентированы «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» и зависят от народнохозяйственной значимости водоемов и характера водопользования. И хотя они допускают некоторое ухудшение качества воды в водоемах после выпуска в них сточных вод, это не должно отражаться на жизни водоема и на возможности дальнейшего его использования как источника водоснабжения или для культурных и спортивных нужд населения. По этим правилам запрещено спускать в водоемы сточные воды:

· содержащие стабильные вещества, не подверженные биохимическому, химическому и физическим процессам самоочищения, а также радиоактивные вещества;

· устраняемые (с соблюдением технико-экономических условий) путем внедрения рациональной технологии, максимального использования в оборотной системе водоснабжения;

· содержащие ценные отходы, которые могут быть утилизированы. Концентрация большинства разнообразных органических и минеральных веществ, содержащихся в сточной воде, спускаемой в водоемы, нормирована.

При расчетах сброса промстоков учитывают максимально возможное разбавление сточных вод, которое можно обеспечить как процессами смешения, обусловленного природными условиями водоема, так и специальными инженерными мерами (рассредоточенным выпуском сточных вод по живому сечению реки, глубинными выпусками в озера и моря, перемешиванием с помощью насосов), предусматривающими наиболее полное разбавление сточных вод в створе выпуска.

Сопоставляя количество загрязнений, которое может быть принято данным водоемом и которое содержится в неочищенных сточных водах, определяют необходимую степень и выбирают метод предварительной, до выпуска в водоем, очистки.

3. Условия образования и состав сточных вод горных предприятий

В зависимости от происхождения сточные воды разделяются на производственные, хозяйственно-бытовые и атмосферные.

Производственные воды подразделяются на загрязненные (минеральными, органическими и минеральными и органическими примесями) и нормативно чистые.

Воды, попутно извлекаемые при добыче полезного ископаемого, разделяются на шахтные, карьерные и дренажные, которые составляют около всех сточных вод горных предприятий. Состав шахтных и карьерных вод изменяется в широком диапазоне в зависимости от горно-геологических, гидрологических и технологических условий. Дренажные воды в большинстве случаев относятся к нормативно-чистым.

По значению (водородного показателя, являющегося отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, т. е.) шахтные, карьерные и дренажные воды делят на нейтральные (); кислые () и щелочные ().

По степени минерализации различают пресные (содержание сухого остатка до), слабосолоноватые (), солоноватые (), сильносолоноватые (), соленые (), сильно соленые () воды, а также рассолы — более .

Чем выше минерализация шахтных, карьерных и дренажных вод, тем выше их жесткость, которая колеблется от 5 до 30. Содержание взвешенных веществ в шахтных и карьерных водах колеблется от до и выше, но обычно не превышает, а нефтепродуктов — от следов до и выше.

Бактериальная загрязненность может изменяться в пределах. Колититр (количество воды, мл, в котором обнаруживается 1 кишечная палочка) для шахтных вод — от до 100 мл. Колииндекс, или наиболее вероятное число (НВЧ) — количество кишечных палочек, находящихся в 1 л воды, для сильнозагрязненных вод больше 10 000, загрязненных больше 100, удовлетворительных больше 10, хороших меньше 3. Для шахтных вод НВЧ меньше 7.

Хозяйственно-бытовые сточные воды (ХБ) в зависимости от вида загрязнения делятся на фекальные, загрязненные физиологическими отбросами, и хозяйственные, поступающие из ванн, бань, прачечных, столовых и др. От производственных вод они отличаются повышенным содержанием органических загрязнений, которые определяются такими показателями, как химическое (ХПК) и биохимическое (БПК) потребление кислорода. Нормой для ХБ вод является содержание и. В ХБ водах также встречаются взвешенные и поверхностно-активные вещества, нефтепродукты и др. Но минерализация и жесткость этих вод обычно меньше, чем карьерных и шахтных.

Атмосферные сточные воды разделяются на дождевые и талые. В большинстве случаев талые воды загрязняются сильнее, чем дождевые. Но в целом атмосферные сточные воды отличаются непостоянством по притокам, составу и свойствам.

О масштабах сброса загрязняющих веществ в водные объекты можно судить по следующим данным. В течение одного года в водоемы России со сточными водами поступило взвешенных частиц, фосфора общего и азота аммонийного, металлов, нефтепродуктов и другие соединения, из сбрасываемых вод не подвергаются в достаточной степени очистке.

При эксплуатации угольных и сланцевых месторождений в СНГ ежегодно на дневную поверхность откачивается до шахтных и карьерных вод. Около половины их солоноватые, относятся к типу кислотных.

Очень велико влияние сброса сточных вод горных предприятий в малые и средние реки, в результате чего их сток может возрасти в и более раз. При этом изменяются качество и тепловой режим вод в этих водоемах. Исследования показали, что при сбросе шахтных вод в реки Донбасса поступает более растворенных солей. Минерализация воды в реках возрастает более чем в 2 раза, содержание сульфатов — в 3, а взвешенных частиц — в раз и более.

Обогащение минерального сырья — также существенный источник поступления в окружающую среду загрязненных вод. Так, средний расход воды на 1 т обогащаемой горной массы для угля и горючих сланцев составляет, для железной руды в зависимости от применяемых методов обогащения —, для апатитовой — .

Водно-шламовое хозяйство — технологический комплекс водоснабжения, обработки сточных и оборотных вод, а также шламов и мелких отходов (хвостов) обогащения. Действует на обогатительных фабриках, применяющих мокрые методы обогащения. С помощью его установок осветляются и очищаются воды, сгущаются, обезвоживаются и складируются шламы и отходы обогащения, из шламов извлекаются ценные компоненты. На фабриках, обогащающих угли для коксования, выделяют три основных типа схем водно-шламового хозяйства: одностадийную, двухстадийную, комбинированную. Одностадийная схема применяется на фабриках, расходующих не более воды на обогащаемого угля; шламовая вода после удаления из нее частиц угля крупностью более поступает на флотацию без предварительного сгущения. При двухстадийных схемах вся шламовая вода после классификации твердой фазы поступает на сгуститель; на флотацию подается только сгущенный продукт, а слив сгустителя возвращается в технологический цикл гравитационного отделения. Недостатки схемы связаны с размещением аппаратов осветления оборотной воды на значительной площади, поскольку при этом не обеспечивается достаточной степени очистки, так как применение флокулянтов для ускорения осветления нарушает технологию последующей флотации. Наиболее перспективны комбинированные схемы, в которых перед флотацией сгущается только часть шламовой воды, позволяющая обеспечить оптимальную плотность пульпы.

На фабриках, обогащающих уголь, руды цветных или черных металлов, а также горно-химическое сырье мокрым магнитным или флотационным способом, водно-шламовое хозяйство включает также системы водооборота.

При очистке необходимо выделять промышленные и бытовые сточные воды. Количество бытовых сточных вод составляет около на одного человека. В отличие от промышленных они поддаются почти полному биологическому разрушению, так как все содержащиеся в них примеси имеют органическую природу. Конечно, непромышленные сточные воды могут содержать и другие материалы, например остатки твердых пород, масла и др., но они легко отделяются на очистных станциях.

Предприятия горной промышленности США сбрасывают в природные бассейны ежегодно около сточных вод, почти рек и ручьев и около водной поверхности загрязнены водами кислого и щелочного состава, поступающими из угольных разрезов.

Мероприятия по охране природных вод особенно актуальны для открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых, так как при таком способе вскрываются все водоносные горизонты, залегающие в разрабатываемой толще пород, причем депрессионные воронки охватывают обширные прилегающие территории. Так, если водозаборные системы и водоотлив подземного рудника им. Губкина создают депрессионные воронки, радиусы которых не превышают, то депрессионные воронки Лебединского, Южно-Лебединского и Стойленского карьеров КМА при глубине распространяются на расстояние более; при достижении проектной глубины радиус депрессионной воронки составит более, а ее площадь — порядка, что приведет к региональным нарушениям естественного режима поверхностных и подземных вод.

Депрессионная воронка подземных рудников может повлиять на территорию, в десятки раз превышающую площадь горного отвода. Количество вод, удаляемых из шахт и рудников, зависит от гидрогеологических условий месторождения и масштаба предприятия и может составлять и более.

Помимо рудничных вод в окружающую среду поступают воды из отвалов и хвостохранилищ. Например, в настоящее время только на предприятиях Курской магнитной аномалии потери загрязненной воды при их инфильтрации из хвостохранилищ оцениваются в, при этом максимальная высота подъема уровня подземных вод достигает .

Для обеспечения нормальных условий функционирования предприятий, поселков и городов необходимо надежное отведение от них сточных вод. Для этого используют канализационные системы, предназначенные для приема, транспортирования, очистки и выпуска сточных вод. Существуют два вида канализации: вывозная и сплавная. Вывозная канализация предусматривает аккумулирование сточных вод в специальных емкостях (приемниках) и периодическую вывозку их на очистные сооружения. При наиболее распространенной сплавной канализации сточные воды транспортируются по трубопроводам, лоткам, канавам и каналам самотеком или под напором, создаваемым насосами.

В зависимости от вида принимаемых и транспортируемых сточных вод системы канализации подразделяются на общесплавную, когда все виды сточных вод отводятся совместно; раздельную, когда различные виды сточных вод отводятся по самостоятельным сетям, и полураздельную, когда одни виды сточных вод отводятся совместно, а другие раздельно. Кроме того, канализационные сети могут быть открытыми и закрытыми.

Под нормами водоотведения понимается максимально допустимое при производстве единицы продукции или выполняемой работы количество отводимых сточных вод. В основе норм водоотведения шахт и разрезов лежат удельные значения притоков шахтных, карьерных и дренажных вод. Задачи нормирования и классификация норм водоотведения аналогичны нормам водопотребления.

Экологическая стратегия горного предприятия в рациональном водопользовании должна базироваться на учете водного фактора на всех уровнях горного цикла, начиная с геологоразведки месторождения и заканчивая использованием полученного продукта потребителем. На стадии обоснования схем вскрытия и разработки месторождения необходимо предусматривать мероприятия, максимально снижающие водопротоки и нарушения гидрологии района.

По степени экологичности применяемые системы водосбора и водоотлива можно классифицировать на три группы. К первой группе — пассивной — относятся системы, основная цель которых — откачка вод из горных выработок. Вторая группа — активная — объединяет системы, предназначенные для выдачи на поверхность вод со стабильными параметрами качества и сниженным содержанием взвешенных веществ (для чего необходимы большие размеры водосборников и резервуаров осветлителей). Наиболее прогрессивна малоотходная группа систем водосбора и водоотлива, в которых максимально используется шахтная вода без предварительной выдачи ее «на гора». При этом к мероприятиям активной системы добавляются селективная откачка и специальные очистные сооружения, размещенные в подземных горных выработках (использование пород выработанного пространства для первой стадии очистки шахтной воды — на примере использования системы Дон-1, производительностью, снижают содержание взвешенных частиц со до. В этих системах предусматривается раздельный водосброс).

Необходимая степень очистки сточных вод при сбросе в водные объекты определяется состоянием водоема-приемника и возможной степенью их разбавления в зависимости от ПДК различных загрязняющих ингредиентов. При этом должно выполняться условие:

где, , — концентрации поступающих в водные объекты веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности, а также вредных примесей от вышерасположенных выпусков сточных вод.

К настоящему времени только на предприятиях угольной промышленности насчитывается 1226 водовыпусков, в том числе 965 выпусков производственных сточных вод, 238 хозяйственно-бытовых и 23 смешанных. На 1180 водовыпусках (95,4%) имеются очистные сооружения.

4. Качество воды, анализ сточных вод, ПДК и ПДС вредных веществ в сточных водах

Сброс сточных вод в водные объекты в горной промышленности регламентируется действующими «Правилами охраны поверхности вод от загрязнения сточными водами» и дополнениями к ним, согласно которым для каждого выпуска устанавливается предельно допустимый сброс (ПДС — масса загрязняющего вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения качества воды в контрольном пункте), утвержденный соответствующими контролирующими органами. Нормативы НДС устанавливаются на определенный срок () и периодически пересматриваются с тенденцией ужесточения.

Качество воды по видам использования устанавливается стандартами (в России их более 600) и определяется следующими показателями:

· физическими (органолептическими, обусловленными органами чувств) — мутность, цвет, запах, вкус, температура;

· химическими — содержание и концентрация веществ, (активная реакция), окисляемость, растворимость газов, сухой остаток, жесткость, щелочность, кислотность;

· бактериальным загрязнением.

Нормативные требования к органолептическим показателям питьевой воды: Запах:

при и при нагревании до, баллы,

не более 2

при хлорировании, менее 1

Вкус и привкус при, баллы, не более 2

Цветность, условные град., не более.20

Мутность по стандартной шкале,, не более 1,5

Прозрачность,, не менее 20

Нормативные требования к содержанию химических веществ, ухудшающих органолептические показатели питьевой воды:

Водородный показатель () 6,0 — 9,0

Сухой остаток,, не более 1000

Жесткость,, не более 7

Химические вещества,, не более:

марганец 0,1

железо 0,3

медь 1

цинк 5

сульфаты 500

хлориды 350

полифосфаты остаточные (в пересчете на) 3,5

Предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК) представляет собой максимальную концентрацию, которая еще не оказывает прямого или косвенного влияния на здоровье человека. В частности, установленные нормы ПДС и ПДК в угольной промышленности приведены в таблице 1.

Таблица 1. Нормы ПДС и ПДК в угольной промышленности.

Рассмотрим, что из себя представляют некоторые показатели качества воды.

Окисляемость воды, — количество кислорода, эквивалентное расходу окислителя, необходимого для окисления примесей в данном объеме (для питьевой воды не лимитируется).

Щелочность воды, определяется суммой содержащихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот (угольной, органических). Различают карбонатную, бикарбонатную и гидратную щелочность.

Жесткость воды обусловливается присутствием в воде солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов и. Различают общую (,, , ,), карбонатную или бикарбонатную (,) и некарбонатную (, ,). Измеряют в или. жесткой воды соответствует содержанию в ней солей или солей. Мягкая вода; жесткая вода —; очень жесткая, питьевая вода. Суммарная оценка органических веществ, присутствующих в воде, определяется путем окисления их кислородом. В качестве косвенных показателей используют ХПК и ВПК.

Химическое потребление кислорода (ХПК) — количество кислорода в, необходимое для химического окисления содержащихся в воде органических веществ.

Биохимическое потребление кислорода (БПК) — количество кислорода в, необходимое для аэробного биохимического разложения органических веществ, содержащихся в воде за определенный отрезок времени (1, 2, 5, 20сут.).

5. Способы и методы очистки и обеззараживания сточных вод горных предприятий

Очистка сточных вод — обработка их с целью разрушения или удаления из них определенных веществ, препятствующих отведению этих вод в водоемы в соответствии с нормативными требованиями.

Методы очистки горнопромышленных сточных вод и жидких отходов горного производства делят на две группы: деструктивные и регенерационные. К деструктивным относят такие методы, при которых загрязняющие сточную воду вещества разрушают окислением, восстановлением или другими химическими и физико-химическими методами. Образующиеся продукты распада удаляются в виде газов и осадков или остаются в растворе. Обработанные таким образом жидкие отходы подлежат сбросу или захоронению. Для деструктивной обработки применяют различные реагентные методы, термическое уничтожение, биохимическое окисление и т. д.

К регенерационным относятся методы, позволяющие возвратить обработанные жидкие отходы в технологический цикл, использовать их в другом производстве или извлечь из них ценные вещества. Объектами регенерации могут быть вода (загрязненные сточные воды), химикаты (отработанные растворы, загрязненные воды), горюче-смазочные материалы (отработанные масла, топлива) и даже многокомпонентные смеси. При регенеративной обработке не всегда обеспечивается полный санитарный эффект, и поэтому может потребоваться дополнительная деструктивная обработка вторичных отходов: обезвреживание солей, извлеченных из регенерированной воды; обработка воды, из которой извлекли ценные примеси; обработка применяемых для регенерации растворов и вод регенерирующих установок.

Тот или иной метод очистки жидких горнопромышленных отходов можно выбрать только на основе изучения их состава и свойств, целесообразности их регенерации или утилизации, а также после выяснения характера и мощности водоема, его народнохозяйственного значения и особенностей использования для определения возможности сброса отходов.

В связи с большим разнообразием состава и свойств сточных вод для их очистки применяют следующие способы: механический, физико-химический, химический, биологический и термический.

5.1 Механическая очистка

Механическая очистка используется для удаления из сточных вод нерастворимых взвешенных частиц, которые под действием гравитационных сил выпадают в осадок, если их плотность больше плотности воды, или всплывают на поверхность, если их плотность меньше плотности воды. По мере накопления осажденные или взвешенные загрязнения удаляются.

К механической очистке производственных сточных вод относятся: процеживание, отстаивание, фильтрование и выделение твердой взвеси при помощи центрифуг или гидроциклонов.

Для процеживания сточных вод в зависимости от гидравлических свойств выделяемых частиц используют решетки или сита. Решетки, задерживающие крупные загрязнения, состоят из наклонно установленных параллельных металлических стержней, укрепленных на раме. Сита употребляют в основном для извлечения из производственных стоков ценных продуктов, находящихся в виде нерастворенных примесей.

Чтобы облегчить условия эксплуатации сооружений, главным образом отстойников, служащих для дальнейшей очистки сточных вод, их них необходимо предварительно выделять минеральные загрязнения. Для этого применяют песколовки, среди которых различают горизонтальные (жидкость движется в горизонтальном направлении) и вертикальные (жидкость движется вертикально снизу вверх). Для извлечения из производственных сточных вод жиров, масел и других легких, всплывающих на поверхность веществ применяют жироловки, а для нефтесодержащих стоков — нефтеловушки.

Для повышения эффекта осветления мутных и малоцветных вод, растворов и других жидкостей их после отстаивания фильтруют. Существующие механические фильтры подразделяют на несколько групп. Основные из них: вакуумные (барабанные и дисковые), наливные (карусельные, ленточные, тарельчатые) и под давлением (дисковые, листовые, патронные, дисковопакетные и фильтр-прессы). Часто вместо отстойников применяют гидроциклоны, которые во многих случаях оказываются более эффективными и экономичными. Для осветления небольших количеств сточных вод и для обезвоживания осадка применяют центрифуги.

При разработке природоохранных мероприятий конструктивные параметры отстойников рассчитывают в соответствии со СНиП II31 -74, «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СНиП II 32−74 «Канализация, наружные сети и сооружения».

Минеральные частицы большой плотности удаляют из сточных вод с помощью гидроциклонов, песколовок, сепараторов и осадительных центрифуг.

Осветлители — аппараты для усиления процесса осветления обработанной коогулянтами воды путем пропускания ее через слой ранее образованных осадков (контактной среды).

Механическая очистка применяется как самостоятельно, так и в качестве первой ступени в сложной системе очистки.

Очень распространенным является осветление сточных вод от легких и тяжелых взвесей в отстойниках различной конструкции: вертикальных, горизонтальных, радиальных, оборудованных специальными устройствами для сбора и удаления выпавших легких фракций. По принципу действия они подразделяются на периодические и непрерывные. На горных предприятиях в основном применяют отстойники непрерывного действия.

Отстаивание — технологический процесс разделения жидкой грубодисперсной системы (суспензии, эмульсии) на составляющие ее фазы под действием силы тяжести. В процессе отстаивания частицы (капли) дисперсной фазы выпадают из жидкой дисперсной среды в осадок или всплывают к поверхности.

Отстаивание как технологический прием используют для выделения диспергированного вещества или очистки жидкости от механических примесей. Эффективность отстаивания возрастает с увеличением разницы в плотностях разделяемых фаз и крупности частиц дисперсной фазы. При этом в системе не должно быть интенсивного перемешивания, сильных конвекционных потоков, а также явных признаков структурообразования, препятствующих седиментации (осаждению).

Накопление осадка (сливок) при отстаивании обусловлено скоростью оседания (всплывания) частиц, которая в простейшем случае свободного движения сферических частиц определяется законом Стокса. В полидисперсных суспензиях сначала в осадок выпадают крупные частицы, а мелкие образуют медленно оседающую муть. Разница в скорости оседания частиц, различающихся по размеру и плотности, лежит в основе разделения измельченных материалов (пород) на фракции (классы крупности) путем гидравлической классификации или отмучивания. В концентрированных суспензиях наблюдается не свободное, а так называемое солидарное, или коллективное, оседание, при котором быстро оседающие крупные частицы увлекают мелкие, осветляя верхние слои жидкости. При наличии в системе коллоидно-дисперсной фракции отстаивание сопровождается укрупнением частиц в результате коагуляции или флокуляции.

Структура осадка зависит от свойств дисперсной системы и условий отстаивания. Грубодисперсные суспензии, частицы которых не слишком сильно различаются по размеру и составу, образуют плотный, четко отграниченный от жидкой фазы, осадок. Полидисперсные и многокомпонентные суспензии тонко измельченных материалов, особенно с анизометрическими (например, пластинчатыми, игольчатыми, нитевидными) частицами, наоборот, дают рыхлые гелеообразные осадки. При этом между осветленной жидкостью и осадком существует постепенный переход от менее концентрированных слоев к более концентрированным. В кристаллических осадках возможны процессы рекристаллизации. При отстаивании агрегативно неустойчивых эмульсий скопившиеся у поверхности в виде сливок или у дна капли коалесцируют (сливаются), образуя сплошной жидкий слой. В промышленных условиях жидкость отстаивается в отстойных бассейнах (резервуарах, чанах) и специальных аппаратах — отстойниках (сгустителях) различных конструкций.

Отстаивание широко употребительно при очистке воды в шахтных системах; при обезвоживании и обессоливании сырой нефти; во многих процессах обогатительной и гидрометаллургической технологий. Отстаивание применяют также при амбарной очистке буровых промывочных жидкостей, а также при очистке нефтепродуктов (масел, топлив). В естественных условиях отстаивание весьма значимо при самоочищении природных и искусственных водоемов.

Отстойники — искусственные резервуары или водоемы для выделения из шахтных, карьерных и производственных сточных вод взвешенных примесей, осаждения их под действием силы тяжести при небольшой скорости потока, а также для очистки сточных вод с помощью реагентов.

Отстойники предназначены также и для снижения износа насосного оборудования и труб при водоотливе, обогащении, гидромеханизации вскрышных работ, для улавливания полезных компонентов и для охраны как земель, так и поверхностных водотоков от загрязнения. Различают отстойники предварительной очистки дренажных, шахтных и карьерных вод, сточных вод обогатительных фабрик и отстойники окончательной очистки вод (природоохранные). Отстойники для предварительной очистки воды располагают в водопонижающих скважинах (глухие трубы, устанавливаемые ниже фильтров), в шахтных стволах, у насосных станций главного и участкового водоотлива (главные и участковые водосборники), а для окончательной — на земной поверхности.

В горной практике для окончательной очистки вод, сбрасываемых шахтами, карьерами, обогатительными фабриками, применяют пруды-осветлители и резервуары. Пруды-осветлители площадью (в среднем) размещают в зависимости от рельефа местности: на пологих площадках, косогорах, в балках. Иногда пруд-осветлитель может обслуживать несколько шахт (карьеров). Слив осветленной воды из них производится через специальный порог, уровень которого поднимают, устанавливая по мере заполнения пруда деревянные бруски. Воду из колодцев отводят к стационарным насосным станциям и откачивают потребителю и в речную сеть. Иногда воду из пруда-отстойника перекачивают плавучими насосными станциями, смонтированными на понтонах.

Отстойники в виде резервуаров подразделяются на нетиповые и типовые. Нетиповые представляют собой емкости на земной поверхности различных размеров и формы (обычно прямоугольной). После заполнения до предельной высоты осветленная вода откачивается насосами, а осадок удаляется экскаваторами. Иногда используют несколько нетиповых отстойников (из железобетонных плит), работающих поочередно.

Типовые железобетонные отстойники разделяют на радиальные, вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные отстойники, как правило, имеют прямоугольную форму. Вода, поступающая с одной стороны резервуара, осветляется при своем движении и выводится через распределительный лоток и перфорированную перегородку в рабочую часть отстойника. Для удаления осадка вдоль рабочих коридоров по грязевому приямку укладываются перфорированные трубы, из которых осадок выдавливается под давлением воды. Осветленная вода собирается лотком или перфорированной трубой.

Время прохождения частиц вдоль отстойника должно быть больше времени опускания частицы на дно отстойника. Поток воды ламинарный, скорость его не выше. Глубина отстойника, длина —, эффективность очистки не более, время очистки .

Радиальные отстойники — круглые в плане резервуары небольшой по сравнению с диаметром глубины. Загрязненная вода подается в центр отстойника, а затем растекается в радиальном направлении, переливается в кольцевой сливной желоб и отводится к месту назначения. Скорость потока убывает от центра к стенкам отстойника. Осадок непрерывно направляется к центру отстойника вращающейся металлической гребковой фермой со скребками, откуда он непрерывно или периодически удаляется самотеком или с помощью насоса. Диаметр отстойника до с коническим днищем, уклон. Соотношение диаметра отстойника к его глубине, обычно,. Расход сточных вод более, эффективность очистки. Эффективность работы радиальных отстойников оценивается по удельным нагрузкам по твердому компоненту и пульпе, извлечению твердого компонента в слив и в сгущенный продукт.

Вертикальные отстойники представляют собой круглый () или кубический () резервуар с коническим днищем, угол наклона. В центре отстойника имеется труба, опущенная к нижней части, через которую осуществляется подача загрязненной воды. Осаждение частиц происходит в восходящем потоке, высота зоны осаждения. Загрязненная вода движется снизу вверх и после отстоя сливается в кольцевой желоб. Осадок собирается в нижней конической части, откуда периодически удаляется самотеком. Для выпадения твердой фазы в осадок необходимо, чтобы гидравлическая крупность частиц была больше скорости восходящего потока воды.

Для интенсификации процесса осаждения в отстойниках применяют различные коагулянты и флокулянты (сернокислый алюминий, сернокислое железо, известь, полиакриламид и др.), подаваемые в специальные камеры хлопьеобразования.