Содержание к диссертации
стр.
Введение 4
Глава 1. Состояние изученности вопроса, цель и задачи исследований
-
Характеристика предприятий горнодобывающей отрасли как ис- 10 точника загрязнения окружающей природной среды
-
Методы очистки сточных вод горнорудных предприятий 18
-
Методы извлечения ценных компонентов из сточных вод горно- 24 добывающих предприятий
-
Цели и задачи исследований 31 Глава 2. Методика проведения исследований и характеристика низкоконцентрированных сточных вод Сибайского месторождения
-
Особенности формирования и характеристика шахтных и подот- 34 вальных вод Сибайского медноколчеданного месторождения
-
Оценка влияния Сибайского месторождения на прилегающую 51 территорию и здоровье населения
-
Методика проведения исследований 61 Глава 3. Исследование процесса электродиализа сточных вод медно-колчеданных месторождений
-
Обоснование выбора и изучение способа очистки сточных вод 63 медноколчеданных месторождений
-
Извлечение ценных компонентов из низкоконцентрированных 67 шахтных и подотвальных вод
-
Разработка аппаратурного оформления процесса и обоснование 75 качественно-количественной схемы извлечения ценных компонентов
стр. Глава 4. Разработка технологии очистки низкоконцентрированных шахтных и подотвальных вод медноколчеданных месторождений и определение основных параметров установок электродиализа
-
Определение оптимальных режимов очистки сточных вод с по- 89 путным извлечением ценных компонентов
-
Определение основных параметров установок электродиализа 107 Глава 5. Эколого-экономическая оценка эффективности процесса извлечения ценных компонентов из сточных вод медноколчеданных месторождений при снижении техногенной нагрузки на экосистемы Си-байского региона
-
Определение ущерба, наносимого окружающей среде при разра- 111 ботке Сибайского месторождения
-
Определение содержания загрязняющих веществ в контрольном 114 створе
-
Оценка экологического и социального эффекта от применения 117 предлагаемой технологии
-
Структура затрат на внедрение предлагаемого способа очистки 119 низкоконцентрированных сточных вод медноколчеданных месторождений
Заключение 126
Библиографический список 128
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Введение к работе
Актуальность работы. Основное воздействие, которое оказывают предприятия добывающей промышленности на окружающую среду, сказывается в изменении целостности массивов горных пород, связанной с проходкой горных выработок и скважин и разрезов. Нарушение земель выражается в образовании антропогенных форм рельефа; изменении водного баланса территории; запыленности атмосферы, связанной с взрывными работами при открытой добыче; изменении всего ландшафта, образовании так называемых техногенных ландшафтов, характеризующихся почти полным отсутствием почвенного покрова, растительности, микроорганизмов.
Башкирское Зауралье относится к одной из основных меднорудных провинций Урала и характеризуется наличием таких крупных месторождений, как Октябрьское, Сибайское, Подольское и Юбилейное.
В Южно-Уральском регионе формирование химического состава природных вод происходит в условиях сложных гидрогеологических и гидрохимических взаимодействий поверхностных, подземных и атмосферных вод с горными породами, почвами. В результате этого вода в реках и озерах характеризуется повышенной минерализацией, а состав и содержание металлов определяются их составом и содержанием в горных породах.
Процесс добычи полезных ископаемых сопровождается откачкой большого количества подземных вод, сбрасываемых на дневную поверхность, для которых характерны высокие показатели.
Воды, образующиеся при разработке Сибайского месторождения, относятся к низкоконцентрированным (общая минерализация достигает 5 г-экв/дм3) и считаются непригодными для извлечения содержащихся веществ, но требуют очистки перед сбросом в водный объект.
Существующие на сегодняшний день способы очистки таких сточных вод в горнодобывающей промышленности можно условно разделить на
5 две группы: эффективные, но дорогие, и дешевые, но мало эффективные. Поиск оптимального способа очистки и селективного извлечения ценных компонентов (медь, цинк, никель и др.) является актуальной задачей.
Кафедрой гигиены БГМУ было установлено, что суточный рацион жителей изучаемого района содержит в б раз больше меди, чем это необходимо для удовлетворения физиологических нужд. Медь, снижая содержание гемоглобина в организме, в 85% случаев приводит к различным видам анемии. Вода рек Карагайлы и Худолаз используется жителями г. Си-бай (республика Башкортостан) для полива садово-огородных участков. По данным исследований, проведённых специалистами кафедры геоэкологии и природопользования СПбГУ, на участках отмечается очень сильное загрязнение почв подвижными формами и валовым содержанием меди (II класс опасности), цинка (I класс опасности) и ряда других веществ. Это связано, прежде всего, с тем, что ОАО «Башкирский медно-серный комбинат» (ОАО «БМСК») сбрасывает в реки неочищенные стоки, поэтому вода в р. Карагайлы и р. Худолаз характеризуется высоким и экстремально высоким уровнем загрязнения. Так проведение водоохранных мероприятий в зонах активной производственной деятельности, где наблюдаются значительные выносы металлов в водные объекты, приобретает существенное значение.
Кроме того, для горнодобывающей промышленности оптимальные способы очистки шахтных и подотвальных вод только разрабатываются и проходят апробацию.
Таким образом, разработка и совершенствование технологии очистки низкоконцентрированных сточных вод медноколчеданных месторождений с попутным извлечением из них ценных компонентов является актуальной задачей.
Цель работы. Снижение техногенной нагрузки на экосистемы промышленных зон, образованных предприятиями по добыче и переработке руд цветных металлов. Вовлечение низкоконцентрированных шахтных и подотвальных вод в процесс извлечения из гидроресурсов ценных компонентов. Предотвращение при минимальных капитальных затратах негативного воздействия на окружающую природную среду ранее проводившейся хозяйственной деятельности.
Идея работы заключается в применении метода электродиализа для очистки низкоконцентрированных сточных вод медноколчеданных месторождений с получением продуктов, содержащих соли меди, цинка, никеля, кобальта, кадмия.
Задачи исследования: оценка качественного и количественного состава образующихся шахтных и подотвальных вод, изучение характера их формирования и влияния на экологические характеристики зон их воздействия; совершенствование технологии очистки шахтных и подотвальных вод, обеспечивающей снижение техногенной нагрузки на гидросистему территорий, примыкающих к медноколчеданным месторождениям; исследование метода электродиализа для извлечения ценных компонентов из шахтных и подотвальных вод; изучение состава получаемых продуктов и возможности их дальнейшего использования; разработка принципиальной технологической схемы извлечения ценных компонентов из низкоконцентрированных сточных вод горнодобывающей отрасли; оценка эффективности применения электродиализа для извлечения ценных компонентов из низкоконцентрированных сточных вод с возможностью их дальнейшего использования.
Объект исследования. Объектом исследования были выбраны шахтные и подотвальные воды, образующиеся при разработке Сибайского месторождения (г. Сибай, республика Башкортостан).
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований: анализ существующих методов извлечения загрязняющих ве-
7 ществ из сточных вод; химический анализ. При проведении численных экспериментов применялись методы математической статистики, прикладной математики, теории вероятности, прикладной программы Microsoft Excel, Advanced Grapher и Statistica. Экспериментальная проверка проводилась в лабораторных и полупромышленных условиях. Научные положения, представленные к защите:
Обоснована возможность применения ионных технологий для повышения эффективности очистки сточных вод с целью защиты гидросистем от промышленных загрязнений и целесообразность вовлечения в промышленную переработку низкоконцентрированных сточных вод горнодобывающих предприятий.
Усовершенствован способ извлечения ценных компонентов из рудничных вод горнодобывающих предприятий, позволяющий снизить загрязнение водных объектов до нормативных значений.
Определены технологические параметры работы электродиализато-ра в диапазоне солесодержания от 1 до 5 г/дм . Разработаны оптимальные условия процесса извлечения.
Установлена возможность применения электродиализа для селективного извлечения компонентов. Определены границы селективности.
Выполненный в диссертационной работе расчет показывает возможность и рентабельность вовлечения низкоконцентрированных сточных вод медноколчеданных месторождений в процесс переработки и извлечения ценных компонентов.
Научная новизна работы
Впервые исследована возможность применения метода электродиализа для очистки и извлечения ценных компонентов из низкоконцентрированных сточных вод медноколчеданных месторождений.
Впервые в качестве реагента в процессе электродиализа использована соль хлорида аммония (NH4O), позволяющая получить товарный продукт (сульфат аммония), используемый в сельском хозяйстве.
Разработанная технология извлечения ценных компонентов из низкоконцентрированных шахтных и подотвальных вод медноколчеданных месторождений является эффективным и рентабельным способом очистки сточных вод горнодобывающей отрасли.
Усовершенствование способа очистки даст возможность при изменении таких параметров, как температура и водородный показатель, селективно извлекать ценные компоненты из очищаемой воды.
Полученная система уравнений регрессии позволяет определить оптимальные условия, необходимые для протекания процесса извлечения ценных компонентов из низкоконцентрированных сточных вод медноколчеданных месторождений.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается надежностью и представительностью исходных данных, полученных при использовании для анализа аккредитованных методик, сопоставимостью результатов расчетных и экспериментальных лабораторных и полупромышленных исследований.
Практическая значимость работы. Усовершенствован способ, позволяющий повысить эффективность очистки сточных вод, загрязняющих природные элементы гидросистемы, и извлекать ценные компоненты (медь, цинк, никель, кобальт и др.) из низкоконцентрированных шахтных и подотвальных вод. В результате получатся рассолы, которые в дальнейшем можно применять в металлургии и сельском хозяйстве, а также сократится негативное влияние горнодобывающего объекта на водные ресурсы региона и здоровье населения.
Внедрение результатов исследований. Предложенный в работе способ очистки и извлечения ценных компонентов из низкоконцентрированных сточных вод медноколчеданных месторождений прошел полупромышленные испытания (имеется акт проведения испытаний). Результаты работы могут быть использованы для разработки рекомендаций по очистке шахтных и подотвальных вод Сибайского месторождения для ОАО
9 «БМСК», а также эксплуатирующих или начинающих разработку типичных месторождений (Михайловское, Узельгинское и др.).
Результаты работы используются преподавателями ГОУ ВПО «Магнитогорский ГТУ» при чтении лекций и ведении лабораторного практикума по дисциплине «Экология» для студентов горных специальностей всех форм обучения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных и региональных научных конференциях и семинарах в городах Москве (2006, 2007), Красноярске (2006), Челябинске (2006, 2007), Магнитогорске (2004, 2006, 2007), Уфе (2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 1 статья в издании, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в РФ в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ. Работа выполнена при поддержке гранта РНП 2.1.2.6594.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 216 наименований и содержит 150 стр. машинописного текста, 57 рисунков, 50 таблиц.
Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю работы профессору, д.б.н. Янтурину СИ., зав. кафедрой промышленной экологии и БЖД ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» профессору, д.т.н. Черчинцеву В.Д., руководителю гранта РНП 2.1.2.6594 чл.-корр. РАН профессору, д.т.н. Шадруновой И.В., зав. ОЭ ГУЛ ИНХП РБ к.т.н. Магиду А.Б., начальнику УГАК профессору, д.х.н. Сафаровой В.И., профессору, д.т.н. Девятову Д.Х. за оказанную помощь в работе над диссертацией, преподавателям и сотрудникам кафедры промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, а также техническим специалистам лабораторий УГАК, отдела ООС Сибайского филиала ОАО «Учалинский ГОК» за ценные советы и оказанную помощь при выполнении работы.
