Актуальность работы.
На территории Свердловской, Челябинской, Оренбургской областей и Башкортостана накоплено значительное количество техногенных отходов, образующихся при добыче и переработке медноколчеданных руд. Во всех рудных и вмещающих породах разрабатываемых медноколчеданных месторождений содержатся сульфидные минералы (пирит, халькопирит, сфалерит и др.), поэтому отвалы, хвостохранилища и водоотливы этих рудников являются постоянными источниками выноса тяжелых металлов в поверхностные и подземные воды.
С рудничными водами и фильтратом с отвалов и хвостохранилищ медно-цинковых месторождений, расположенных только на территории Свердловской области, в поверхностные и подземные воды ежегодно поступает около 1180 т меди, 3180 т цинка и 12 тыс. т железа, хотя общая масса этих накоплений составляет 240 млн. т, при общей массе отходов 8,9 млрд. т, или 2,7% [19]. При существующих темпах растворения атмосферными осадками содержащихся в этих отходах металлов и выноса их в подземные и поверхностные воды имеющийся уровень загрязнения речных вод даже при полной остановке горнометаллургического производства сохранится на сотни лет [19, 30, 34, 67, 89]. Снижение же существующего уровня загрязнения может быть достигнуто лишь при условии ликвидации объектов-загрязнителей, или их изоляции от атмосферных осадков.
Гидроизоляция отвалов и хвостохранилищ при их рекультивации требует больших капиталовложений, однако при существующей экономической ситуации выделение таких средств практически невозможно, поэтому необходимо выделить хотя бы наиболее опасные объекты, подлежащие первоочередному обезвреживанию. Для адекватной экспертной оценки степени опасности того или иного объекта необходимо располагать достоверными данными по большинству из них: не только по горнодобывающим предприятиям, прекратившим свою деятельность, но и по действующим ГОКам из-за отсутствия на них мониторинга геологической среды. Более того, с учетом отсутствия методических указаний по определению режима наблюдений и перечня токсикантов, концентрация которых подлежит определению для конкретных объектов, даже при наличии наблюдений за техногенными образованиями, данные по количеству и составу токсикантов, выносимых атмосферными осадками из техногенных образований, могут быть получены лишь через несколько лет, а для заброшенных объектов такие данные получить в принципе трудноосуществимо.
В связи с вышесказанным разработку расчетного метода определения интенсивности выноса тяжелых металлов из техногенных отходов горного производства, базирующегося на статистическом анализе, следует считать актуальной задачей исследований.
Цель работы — разработка оперативной методики оценки экологической опасности техногенных объектов и обоснование выбора природоохранных технологий для защиты поверхностных и подземных вод от их влияния. j.
Идея работы заключается в обосновании возможности оценки токсичности техногенных медно-цинковых образований по водородному показателю и содержанию ионов железа в их фильтрате.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
— систематизация данных по минеральному и химическому составу техногенных отходов и рудничных вод медно-цинковых месторождений, находящихся на территории Уральского региона, времени их складирования, а также химическому составу и кислотности фильтрата, образующегося в процессе проникновения в них атмосферных осадков;
— установление основных факторов, определяющих концентрацию тяжелых металлов в растворах, и уравнений множественной корреляции, описывающих эту связь;
— оценка окислительной роли железа в выщелачивании сульфидов при изменении его валентности;
— разработка принципиальных технологических схем нейтрализации экологически опасных объектов за счет извлечения из них тяжелых металлов.
Научные положения, представленные к защите:
1. Корреляционные уравнения, полученные при статистической обработке данных химического состава рудничных вод и фильтрата отвалов и хвостохранилищ, образовавшихся при разработке медно-цинковых месторождений Урала, обеспечивают возможность определения содержания в воде токсичных металлов по водородному показателю раствора и содержанию в нем ионов железа.
2. Предлагаемая методика оценки токсичности фильтрата обеспечивает возможность оперативной оценки экологической опасности техногенных медно-цинковых образований.
3. Разработанные типовые технологические схемы могут быть использованы для рекультивации техногенных образований при минимизации затрат за счет попутного извлечения металлов и устранения риска вторичного загрязнения поверхностных и подземных вод.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована статистической обработкой данных химического, минерального состава отходов горнодобывающей промышленности, математической обработкой полученных результатов, а также высокой сходимостью расчетных и фактических данных химического состава техногенных вод.
Научная новизна работы.
1. Впервые на основе химического состава фильтрата отвалов, хвостохранилищ и рудничных вод медно-цинковых месторождений Урала получены уравнения, обеспечивающие возможность определения концентрации токсичных металлов в растворах по величине их водородного показателя и содержанию железа.
2. Разработана методика, позволяющая провести оперативную оценку экологической опасности техногенных объектов на момент их экспертного обследования для принятия обоснованного решения по необходимости их нейтрализации.
3. Выполнена количественная оценка роли трехвалентного железа в выщелачивании меди из отвалов и законсервированных рудников медно-цинковых месторождений Уральского региона.
Практическая ценность работы.
1. Для надежной оценки экологической опасности техногенных объектов, связанной с естественными процессами выветривания и выщелачивания из них тяжелых металлов, достаточно периодического опробования подотвальных, шахтных вод и фильтрата хвостохранилищ для определения величины рН и содержания в них железа.
2. Установлены корреляционные уравнения позволяющие вычислить содержания меди, цинка и железа в техногенных водах при минимальных затратах времени и средств с целью оценки экологической опасности техногенного объекта.
3. Разработан комплект типовых технологических схем нейтрализации техногенных образований, обеспечивающих минимизацию затрат на их рекультивацию за счет прибыли от извлечения цветных металлов с использованием в качестве выщелачивающего реагента Fe2(S04)3, регенерируемого внутренней средой техногенного массива, и исключающих риск загрязнения поверхностных и подземных вод при переработке отходов.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. «Чистая вода России — 2001» — Екатеринбург, 2001 г.
2. «Экологическая безопасность Урала» — Екатеринбург, 2002 г.
3. «Инженерная защита окружающей среды» — Москва, МГГГУ, 2002 г.
4. «Техногенная трансформация геологической среды» — Екатеринбург, 2002 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Ш).
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, изложена на 149 страницах машинописного текста, включая 46 таблиц и 21 рисунок.
5.6. Выводы.
1. Эффективным с экологической и экономической точек зрения направлением охраны подземных и поверхностных вод от загрязнения тяжелыми металлами является профилактика вымывания токсикантов из отвалов, хвостохранилищ и зон обрушения рудников путем организации их принудительного выщелачивания. Такой подход позволяет решить не только экологическую проблему, но и осуществить рентабельное производство путем переработки бедного забалансового сырья с получением товарной продукциицементной меди.
2. Улучшение экологической обстановки территорий, подвергнутых интенсивному воздействию горнодобывающей промышленности, таких как Гайский район, возможно при комплексном подходе к решению проблемы: складирование отходов обогащения в карьерные выемки с последующей рекультивацией с использованием метода подземного выщелачивания. В процессе заполнения жидкими отходами обогащения, а затем при использовании подземного выщелачивания для технического этапа рекультивации, о загрязнение поверхностных и подземных вод можно исключить за счет создания депрессионной воронки вокруг выемки. Если же будет обеспечено поддержание зеркала воды в хвостохранилище ниже местного базиса разгрузки, то подтопление территории и загрязнение подземных вод за пределами депрессионной воронки будет в принципе невозможно.
3. Трехвалентное железо в качестве выщелачивающего реагента для растворения ценных компонентов является окислителем, созданным под влиянием естественной^среды, и дает возможность не использовать дополнительные агрессивные реагенты, оказывающие негативное влияние на компоненты окружающей среды.
4. При соблюдении природоохранных мер предлагаемые схемы извлечения меди из отходов обогащения сульфидных руд, заскладированных в карьер и в хвостохранилище наземного типа на Гайском ГОКе, а также из зоны обрушения Дегтярского рудника обеспечат защиту территории от негативного влияния загрязненных тяжелыми металлами вод и позволят получить экономическую прибыль от проведения технического этапа рекультивационных работ.
5. После выщелачивания техногенных объектов остаточное количество цветных металлов переходит в практически нерастворимое состояние и экологической опасности не представляет, поэтому оставшаяся порода подлежит рекультивации распространенными способами — планировка поверхности, создание противофильтрационного экрана, устройство дренирующего слоя и посев растительности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе дано решение актуальной задачи по оперативному выявлению загрязнения поверхностных и подземных вод тяжелыми металлами, выносимыми из техногенных минеральных объектов, и разработаны типовые схемы их нейтрализации за счет извлечения из них цветных и драгоценных металлов.
Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:
1. Выполнен статистический анализ химического состава рудничных и подотвальных вод, а также фильтрата хвостохранилищ ряда предприятий цветной промышленности, расположенных на территорий Свердловской, Челябинской, Оренбургской областей и Башкирии, в результате которого было установлено, что содержание в растворах железа, меди и цинка может быть описано уравнениями регрессии, общими для техногенных объектов медно-цинковой отрасли всего Уральского региона.
2. В результате вывода уравнений множественной корреляции и определения доли детерминированного вклада рН и концентрации железа выявлено, что основным показателем, определяющим концентрацию меди в рассматриваемых типах техногенных растворов, а также концентрацию цинка в рудничных водах, является содержание железав фильтрате хвостохранилищ и подотвальных водах содержание цинка определяет, в основном, величина рН.
3. Для надежной оценки экологической опасности техногенных объектов, связанной с естественными процессами выщелачивания из них тяжелых металлов, достаточно периодического опробования подотвальных, рудничных вод и фильтрата хвостохранилищ для определения рН и содержания в них железа общего и трехвалентного. Предлагаемая методика при минимальных затратах времени и средств позволяет оценить экологическую опасность каждого техногенного объекта с учетом гранулометрического и минерального состава конкретного накопителя, климатических условий района его расположения, и тем самым обеспечивает возможность принятия обоснованного решения по необходимости его нейтрализации.
4. Установлена прямолинейная корреляция между содержанием в техногенных водах меди и трехвалентного железа, что дает основание для профилактики вымывания токсикантов из отвалов, хвостохранилищ и зон обрушения рудников путем организации их принудительного выщелачивания с получением товарной продукции — цементной меди.
5. Улучшение экологической обстановки территорий, подвергнутых интенсивному воздействию горнодобывающей промышленности возможно при комплексном подходе к решению проблемы: складирование отходов обогащения в карьерные выемки с последующей рекультивацией с использованием метода подземного выщелачивания. В процессе заполнения жидкими отходами обогащения, а затем при использовании подземного выщелачивания для технического этапа рекультивации, загрязнение поверхностных и подземных вод можно исключить за счет создания депрессионной воронки вокруг выемки. Если же будет обеспечено поддержание зеркала воды в хвостохранилище ниже местного базиса разгрузки, то подтопление территории и загрязнение подземных вод за пределами депрессионной воронки будет в принципе невозможно.
6. Предлагаемые схемы защиты поверхностных и подземных вод от загрязнения фильтратом техногенных образований при соблюдении природоохранных мер обеспечат защиту территории от отрицательного воздействия загрязненных тяжелыми металлами вод и позволят получить экономическую прибыль от проведения технического этапа рекультивационных работ.
