Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Литературный обзор «Техногенное воздействие горнопромышленных отходов сульфидных руд на окружающую среду»
1.1. Гипергенные процессы, происходящие в сульфидсодержащих горнопромышленных отходах 13
1.2. Очитка горнопромышленных сточных вод 23
1.3. Рекультивация техногенных объектов горнопромышленного комплекса 35
1.4. Утилизация горнопромышленных отходов 40
1.5. Техногенные отходы горнопромышленных предприятий как вторичное сырье, перспективные методы переработки
2. Анализ экологического состояния реки Таналык, горнорудные объекты в ее бассейне. 57
3. Исследование отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау
3.1. Исследование почвенного материала в зоне м. Куль-Юрт-Тау 72
3.2. Исследование биоразрушения рудного материала 79
3.3. Изучение состава и свойств подотвальной сточной воды отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау 80
3.4. Определение объема фильтрационных подотвальных стоков 83
3.5. Определение потенциальной опасности подотвальных вод месторождения Куль-Юрт-Тау 86
3.6. Исчисление размера вреда, причиненного стоками отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау за 1 год реке Таналык
Разработка способа снижения техногенного воздействия подотвальных сточных вод отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау 94
Разработка гидроизолирующего гелеобразующего состава, исследование его реологических свойств 94
Определение времени начала гелеобразования и ее зависимость от рН гелеобразующего раствора qq
Определение прочности гелей и вязкости гелеобразующего состава
Очистка подотвальной воды карбонатом кальция 117
Принципиальная технологическая схема реагентной очистки подотвальных сточных вод 123
Разработка модельного растительного сообщества из высших водных растений для биологического очистного пруда 128
Схематический план расположения гидроизолирующего экрана и блоков очистки на месторождении Куль-Юрт-Тау 133
Способы утилизации отвальной породы месторождения Куль Юрт-Тау 136
ВЫВОДЫ 143
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Введение к работе
Актуальность работы. Вклад горно-металлургического и строительного комплексов в общее количество минеральных отходов, ежегодно образующихся в мире (около 25 млрд т, в том числе в России 7 млрд.т или 38-40%), является определяющим [1]. Темп накопления упомянутых материалов в последнее время столь высок, что создает реальную угрозу. Техногенные отходы горнопромышленных предприятий занимают огромные площади земель, на их содержание и складирование расходуются средства и они представляют огромную экологическую опасность для окружающей среды. Так, только на Урале заскладировано 177 млн. т. хвостов обогащения медных и медно-цинковых руд, в которых содержится 475 тыс. т. меди, 680 тыс. т. цинка [2]. В процессе добычи и переработки сульфидных руд цветных металлов до 30% полезных минералов теряется с отвальными продуктами [3]. При их хранении происходит окисление сульфидов с образованием серной кислоты и сульфатов тяжелых металлов. Данный процесс может продолжаться несколько лет, вызывая необратимые изменения рудного материала, рассеяние ценных компонентов на значительных территориях и безвозвратную потерю металлов. Кроме этого, отвальные продукты представляют угрозу окружающей среде, как показали многочисленные анализы химического состава вод Уральского региона, все основные реки содержат цинк, медь, железо, марганец, кадмий и другие металлы в количестве 40-60 ПДК.
На территории Башкирского Зауралья в бассейне реки Таналык расположены крупные центры горнодобывающей промышленности, которые более полувека ведут добычу и переработку колчеданных руд. Река Таналык является одним из самых загрязненных водных объектов в Республике. Сегодня остро обсуждается проблема загрязнения реки Урал, река Таналык является ее притоком. Загрязнители реки Таналык переносятся на многие сотни километров, создавая проблему более чем лишь только республиканского значения. Учеными выявлено, что даже сравнительно небольшое накопление тяжелых металлов в пределах региональных геохимических полей способно приводить к серьезным экологическим последствиям и нарушениям в живых организмах. Тяжелые металлы, поступающие по пищевой цепи, воздействуют на сердечнососудистую и дыхательную системы человека, понижают иммунитет, вызывают аллергические, онкологические, генетические изменения. Статистика показывает увеличение вышеперечисленных заболеваний у людей, проживающих в горнорудных регионах.
Изучение и понимание процессов, протекающих в сульфидсодержащих отходах, актуально как в экологическом, так и в технологическом аспектах. Особенно сильное влияние на состояние окружающей среды оказывают преобразования рудных месторождений, связанные с изменениями в их приповерхностной области. В первую очередь это касается выработанных месторождений полиметаллических руд и законсервированных горных объектов из-за нерентабельности их дальнейшей разработки.
Данная работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ в рамках программы Академии Наук Республики Башкортостан «Разработка научно-технических основ комплексных экологических производств на базе отходов, вредных стоков горнорудных предприятий Республики Башкортостан (месторождений Куль-Юрт-Тау, Бурибаевский ГОК) с организацией горно-экологического полигона». Цель работы
Исследование отработанного месторождения полиметаллических сульфидных руд и его подотвальных сточных вод с целью оценки степени негативного воздействия на окружающую среду. Разработка способа снижения данного техногенного воздействия путем очистки подотвальных сточных вод до уровня ПДК.
Идея работы
Ввиду того, что отработанные месторождения, как правило, сняты с баланса предприятий, они являются заброшенными объектами, над которыми отсутствует должный контроль, наблюдение. В связи с чем, довольно трудно оценить масштабы и характер пагубного их влияния на окружающую природную среду. Идея работы, заключается в объективной оценке воздействия отработанного месторождения полиметаллических сульфидных руд на окружающую среду, путем его комплексного исследования, в поиске решения данной экологической проблемы, в разработке способа очистки подотвальных вод с вовлечением минимальных материальных затрат для реализации разработанной схемы очистки и с получением товарной продукции.
Объекты исследования
Объектами исследований были выбраны: отработанное месторождение полиметаллических сульфидных руд Куль-Юрт-Тау, река Таналык (Республика Башкортостан). Задачи исследования
1. Проведение мониторинга экологического состояния р. Таналык по содержанию тяжелых металлов и источников их поступления.
2. Проведение геохимических исследований рудного и почвенного материала в зоне окисления отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау, исследование подотвальных сточных вод данного месторождения (химического состава, свойств, образующегося объема), расчет ущерба, нанесенного подотвальными сточными водами реке Таналык.
3. Исследование применимости и эффективности реагентного метода очистки подотвальных сточных вод месторождения Куль-Юрт-Тау, на первой стадии с использованием карбоната кальция (мела), на второй стадии гидроксида кальция (гашеной извести).
4. Разработка гидроизолирующего гелеобразующего состава на основе жидкого стекла и подотвальнои воды для локализации подотвальных сточных вод, изучение его реологических свойств.
5. Определение перспективных видов растений местной водной и прибрежно-водной флоры р. Таналык для создания биологического очистного пруда.
6. Разработка принципиальной технологической схемы очистки подотвальных сточных вод отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау.
7. Поиск способов утилизации осадка первой стадии реагентной очистки подотвальных вод месторождения Куль-Юрт-Тау и отвальной породы исследуемого отработанного месторождения. Методы исследований
В работе использован комплексный метод исследований: сбор и анализ данных, химические, физические, математические, геологические, гидрогеологические, экспериментальные и расчетные методы исследований.
При анализе подотвальных сточных вод, очищенной воды использовали атомно-абсорбционный метод определения металлов (на приборе «Спектр 5»), потенциометрическое титрование. Исследование осадка, образующегося после карбонатной очистки подотвальной воды, производили термогравиметрическим методом на дериватографе Q-1500 D (Венгрия).
Геохимические исследования почвенного материала проводили химическими методами определения породообразующих элементов (комплексонометрическим и фотометрическим на спектрофотометре СФ-26, фотометре фотоэлектрическом пламенном ПФМ). Исследование минеральных проб производили также под бинокулярным микроскопом МБС-2. При разработке гидроизолирующего барьера для изучения реологических свойств гелеобразующих систем использовали прибор «Рео — вискозиметр по Хепплеру». Работы проводились в полевых, лабораторных и опытно- промышленных условиях.
Научные положения, представленные к защите
1. В связи с угрозой загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов, необходимо подробное изучение отработанных месторождений полиметаллических сульфидных руд как техногенных объектов.
2. Определены факторы, влияющие на разрушение рудного материала месторождения Куль-Юрт-Тау (Респ. Башкортостан), изучены процессы миграции тяжелых металлов и их переход в подвижные формы. 3. Предложен метод создания гидроизоляционного гелеобразного барьера на основе жидкого стекла и подотвальной воды для ограничения стоков подотвальных вод отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау.
4. Разработана принципиальная технологическая схема очистки подотвальных сточных вод месторождения Куль-Юрт-Тау, позволяющая снизить загрязнение водных объектов до нормативных значений.
5. Исследована возможность применения осадка, образующегося в процессе очистки подотвальной воды в качестве наполнителя в производстве лакокрасочных материалов.
Научная новизна работы
1. На основе данных по содержанию тяжелых металлов в воде реки Таналык, показан вклад отработанных сульфидных месторождений, расположенных в бассейне данной реки, в загрязнении воды в реке ионами тяжелых металлов (Feo6ux., Cu2+, Mn2+, Zn2+), содержание которых превышает значения ПДКрх.
2. Проведено исследование отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау, изучен характер происходящих гипергенных процессов на месторождении, исследован состав, свойства подотвальной воды, определен объем образующихся стоков; исследован почвенный материал зоны, прилегающей к месторождению.
3. Рассчитан ущерб, наносимый подотвальными сточными водами месторождения Куль-Юрт-Тау реке Таналык, размер данного ущерба свидетельствует о недопустимости попадания данных подотвальных сточных вод в водоем.
4. Разработан гидроизолирующий гелеобразующий состав для локализации подотвальных сточных вод на основе жидкого стекла и подотвальной воды. Проведенные реологические исследования показали применимость подотвальной воды месторождения Куль-Юрт-Тау в качестве компонента - отвердителя в составе гидроизолирующих гелеобразующих систем на основе жидкого стекла.
5. Предложена технологическая схема очистки подотвальных сточных вод отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау, состоящая из двухстадииного реагентного метода (I - очистка мелом, II - очистка гашеной известью) и биологического метода очистки на биоплато.
Практическая значимость работы
1. Проведен мониторинг экологического состояния реки Таналык по содержанию в воде ионов тяжелых металлов, позволяющий оценить степень техногенного воздействия горнорудных объектов в ее бассейне.
2. Проведенное исследование отработанного месторождения полиметаллических сульфидных руд Куль-Юрт-Тау, подтверждает значимость данного объекта как опасного источника загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, и как потенциального источника металлосодержащего сырья.
3. Разработан способ снижения техногенного воздействия подотвальных сточных вод отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау, путем реагентного двухстадииного метода очистки подотвальных вод и их доочистки на биоплато до уровня ПДК.
4. В процессе реагентной очистки подотвальных сточных вод месторождения Куль-Юрт-Тау, получен товарный продукт — железоокисный пигмент (сырье для производства лакокрасочных материалов).
5. Показана возможность утилизации отвальной породы отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау в производстве керамических изделий.
6. Использование предлагаемой схемы очистки подотвальных сточных вод отработанного сульфидного месторождения позволит снизить содержание тяжелых металлов в реке Таналык и улучшить экологическое состояние региона. Внедрение результатов исследований
1. Полученные результаты исследований диссертационной работы включены в программу Академии наук Республики Башкортостан по созданию «Горно-экологического полигона на месторождении Куль-Юрт-Тау» в срок до 2014 года.
2. Проведены опытно-производственные испытания по использованию образующегося осадка 1-ой стадии реагентной очистки подотвальной воды (карбонатом кальция) в качестве железоокисного пигмента (наполнителя) в производстве антикоррозионной грунтовки (ГОСТ 25129-82, ГОСТ Р 51693-2000) и водоэмульсионных лакокрасочных материалов (ГОСТ Р 52020-2003) на ОАО «Уфимский лакокрасочный завод», качество полученных материалов удовлетворяет соответствующим требованиям.
3. Практические результаты диссертационной работы, основанные на создании способа локализации подотвальных сточных вод и изучении реагентных методов очистки подотвальных сточных вод, внедрены в учебный процесс по экологическим дисциплинам в ГОУ ВПО Башкирский государственный университет.
4. Отвальная порода месторождения Куль-Юрт-Тау, содержащая в составе нерудный минерал пирофиллит, внедрена в процесс производства керамических изделий на предприятии ГУП институт «БашНИИстрой» (г. Уфа). Апробация диссертации
Основные положения диссертационной работы докладывались на VI Международной научной конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (г. Пенза, 2006г.); на III Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем», посвященной 75-летию УГАТУ и 10-летию кафедры «Безопасность производства и промышленная экология» (г. Уфа, 2006г.); на международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (г. Уфа, 2007г.); на международной научно-технической конференции «XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии» (г. Москва, 2007г.); на международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии (Реактив 2009)» (г. Уфа, 2009г.); на 6-ой международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов» (г. Харьков, 2009г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей, из них 1 опубликована в издании, рекомендованном ВАК МОН РФ, 8 материалов конференций.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 130 наименований, содержит 160 стр. машинописного текста, 38 рисунков, 28 таблиц.
