Содержание к диссертации
Введение
1. Открытая разработка угольных месторождений кузбасса и ее влияние на окружающую среду 8
1.1. Перспективы развития открытой угледобычи в Кузбассе 8
1.2. Влияние открытой разработки угольных месторождений на природную окружающую среду 14
1.3. Анализ структуры водопользования и водоотведения на разрезах 20
Выводы 28
2. Исследование водоотведения карьерных водразрезов кузбасса в зависимости от колебаний объемов сброса 29
2.1. Исследование водоотведения карьерных вод в водные объекты Кузбасса 29
2.2. Выбор оборудования при сбросе карьерных вод в водные объекты Кузбасса 31
2.3. Выявление закономерностей колебаний объемов сброса карьерных вод в водные объекты Кузбасса 34
Выводы 41
3. Исследование свойств и состава карьерных вод разрезов кузбасса 42
3.1. Исследование физических свойств карьерных вод... 42
3.2. Исследование макрокомпонентного состава карьерных вод 44
3.3. Исследование микрокомпонентного состава и выявление закономерностей миграции микроэлементов карьерных вод 65
Выводы 75
4. Выбор эффективного способа очистки карьерных вод 76
4.1. Анализ эффективности отстойных очистных сооружений 76
4.2. Анализ эффективности фильтровальных очистных сооружений 81
4.3. Выбор наиболее эффективного способа очистки карьерных вод 85
Выводы 96
5. Разработка рекомендаций по утилизации карьерных вод 97
5.1. Основные направления использования карьерных вод в Кузбассе 97
5.2. Оценка пригодности карьерных вод для использования на собственные нужды и передачи сторонним организациям 105
5.3. Использование карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий 109
5.4. Экономическая эффективности использования карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий 123
Выводы 128
Заключение 129
Список литературы 132
- Анализ структуры водопользования и водоотведения на разрезах
- Выявление закономерностей колебаний объемов сброса карьерных вод в водные объекты Кузбасса
- Исследование микрокомпонентного состава и выявление закономерностей миграции микроэлементов карьерных вод
- Выбор наиболее эффективного способа очистки карьерных вод
Введение к работе
В настоящее время в Кузбассе из всех отраслей промышленности наибольшую техногенную нагрузку на окружающую среду создает угледобывающая отрасль. В Кузбассе насчитывается сорок две шахты и сорок три разреза. Преимуществом открытой разработки угольных месторождений является невысокая себестоимость добычи угля, высокая производительность и безопасность труда рабочих на предприятиях. Поэтому с каждым годом доля объемов добычи каменного угля открытым способом все более увеличивается. Поскольку на ближайшие 5-10 лет планируется увеличение доли открытых горных работ до 70% от всего объема добычи угля, то воздействие угледобывающей отрасли на окружающую среду в значительной степени будет определяться последствиями открытых горных разработок.
Отрицательное воздействие горные работы оказывают не только на недра, но и на водный бассейн, воздушный бассейн, земли и почвы, флору и фауну. Существенным негативным фактором ведения открытых горных работ является значительный ущерб, наносимый водному бассейну, в связи с этим все острее встает проблема охраны водных ресурсов ряда районов Кемеровской области. Это обусловлено сбросами в поверхностные водоемы и водотоки больших объемов сточных вод, содержащих, как правило, взвешенные и растворенные примеси. Особое значение имеют сточные карьерные воды, так как на эти воды приходится самая большая доля сброса. Это усугубляется еще и тем, что в течение года вода на разрезы поступает крайне неравномерно. Таким образом, существенный ущерб окружающей среде Кузбасса наносят карьерные воды.
Водоотведение карьерных сточных вод имеет ряд особенностей, которые заметно усложняют их сбор и очистку. Одна из особенностей - это не фиксированность откачки сточных вод, т.е. сброс
карьерных вод на разрезах производится, как правило, в нескольких местах. В связи с этим работы, направленные на исследование состава и свойств карьерных вод разрезов Кузбасса для оценки их утилизируемости являются актуальными.
Цель рабо ты заключается в обосновании возможности и целесообразности использования карьерных вод в народном хозяйстве.
Идея работы состоит в учете закономерностей сезонных колебаний объемов сброса и качества карьерных вод при выборе способа их утилизации.
Задачи исследования: -установить характер воздействия сброса сточных вод на природную среду при открытой разработке угольных месторождений Кузбасса;
определить объемы сброса сточных карьерных вод в водные объекты;
выявить состав и свойства карьерных вод;
разработать рекомендации по утилизации сточных карьерных вод разрезов Кузбасса.
Методы исследования: исследования производились путем анализа и обобщения литературных источников, статистической обработки результатов экспериментов и натурных наблюдений
Научные положения, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем:
наибольший удельный вес в сбросе сточных вод и ущербе, наносимом им окружающей природной среде при открытой разработке угольных месторождений имеют, карьерные воды, доля которых в общем объеме сброса составляет более 70 %;
объем сброса карьерных вод, состав загрязняющих примесей и их концентрация в карьерных водах изменяются в течение года в зависимости от количества атмосферных осадков и температуры
воздуха: максимальный сброс и наибольшая загрязненность воды приходится на март-апрель - сброс-8-13 м3, загрязненность - 560 мг/л, июнь-июль - сброс-8-9 м3, загрязненность - 580 мг/л и октябрь-ноябрь - сброс-7,5-8 м3, загрязненность - 430 мг/л;
коэффициент миграции микроэлементов карьерных вод более чем в 2 раза превышает коэффициент миграции микроэлементов шахтных вод, что обусловлено дополнительным поступлением в карьерные воды микроэлементов из атмосферного воздуха, дождевых и талых вод;
карьерные воды угольных разрезов Кузбасса по своим ирригационным, экологическим и технологическим критериям пригодны для орошения сельскохозяйственных угодий без предварительной подготовки.
Научная новизна работы заключается:
в установлении закономерностей влияния времени года на объемы сброса карьерных вод, физические свойства воды, микрокомпонентный и макрокомпонентный ее состав;
в оценке величины влияния сбрасываемых карьерных вод на состояние водного бассейна региона;
в разработке рекомендаций по использованию карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием roc-тированной измерительной аппаратуры и методик лабораторных испытаний, тестированных методов отбора проб и их дальнейших исследований.
Научное значение работы заключается в установлении закономерности влияния времени года на объемы сброса карьерных вод на физические свойства воды, микрокомпонентный и макрокомпонентный ее состав; в оценке влияния сбрасываемых карьерных вод на состояние водного бассейна региона, в разработке рекомендаций по
использованию карьерных вод для орошения сельскохозяйственных угодий.
Практическая ценность работы. Применение разработанных рекомендаций по использованию карьерных вод в сельском хозяйстве существенно улучшит гидрологическое состояние региона, сократит затраты на очистку сбрасываемых карьерных вод и значительно уменьшит стоимость работ по поливу сельскохозяйственных угодий.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Экологические проблемы горно-металлургического комплекса» (г. Красноярск, 2000 г.); на Пятом Международном Научном симпозиуме им. академика М.А. Усова (г. Томск, 2002 г.); на заседании технического совета ООО «Разрез «Губернский» (г. Белово, 2004 г.); на научно-технических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов КузГТУ (г. Кемерово, 1998 - 2004 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано пять печатных работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 33 рисунка и список литературы из 93 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Юрию Васильевичу Лесину за помощь при подготовке диссертационной работы.
Анализ структуры водопользования и водоотведения на разрезах
По данным государственной статистической отчетности 2003 года из 903 предприятий-водопользователей 298 имеют самостоятельные выпуски сточных вод в водные объекты. По данным Комитета природных ресурсов по Кемеровской области общий объем сточных вод, сброшенных в поверхностные водные объекты, составил 2167,432млн.м3 (рис. 1.3, табл. 1.4), втом числе:
- без очистки и недостаточно очищенных сточных вод -752,76млн. м3;
- нормативно чистых без очистки -1366,32 млн. м3;
- нормативно очищенных - 48,35 млн. м3.
Динамика водоотведения по годам приведена в табл. 1.4 и на рис. 1.3.
Общий объем водоотведения по сравнению с предыдущим годом увеличился на 53,4 млн. м3.
Водоотведение увеличилось за счет:
- увеличения водопритока шахтно-рудничных вод на предприятиях угледобывающей промышленности г. Междуреченска (на 2,443млн.м3);
- постановки на учет новых предприятий.
Наряду с общим увеличением водоотведения, в некоторых городах области водоотведение сократилось за счет сокращения водопритока шахтно-рудничных вод на предприятиях угледобывающей промышленности городов: Березовский, Ленинск-Кузнецкий, Анжеро-Судженск, Новокузнецк и других.
Из 298 предприятий, сбрасывающих сточные воды в поверхностные водные объекты, только 243 имеют очистные сооружения общей мощностью 1150,7 млн. м3.
Со сточными водами в поверхностные водные объекты сброшено 509509,168 тонн загрязняющих веществ, что на 11685,273 тонн меньше по сравнению с 2000 годом (табл. 1.5). Уменьшение количества загрязняющих веществ в сточных водах объясняется:
- сокращением сброса шахтно-рудничных вод;
- сокращением перечня (установлено единое количество) контролируемых веществ в стоках: производственных, шахтно-рудничных и хозяйственно-бытовых. В соответствии с требованиями инструкции по заполнению форм статистической отчетности 2 - ТП (водхоз) содержание кальция, кремния, лития, стронция, бария в сточных водах не определяется, но они присутствуют в сточных водах предприятий металлургии и угледобывающей промышленности. В данных Комитета природных ресурсов по Кемеровской области эти ингредиенты отсутствуют.
Водопользование разделяется на общее и специальное. К общему относится пользование водными объектами без применения сооружений и технических устройств, влияющих на состояние вод, осуществляется оно без специальных разрешений. К специальному водопользованию относится использование водных объектов с применением сооружений и технических устройств: по забору воды из поверхностных вод, в том числе шахтных, карьерных, дренажных, в поверхностные и подземные водные объекты и другие. Существуют природные, подземные и сточные воды, наибольший интерес для нас представляют последние. К сточным водам относятся воды, которые отводятся за пределы производственных помещений, горных выработок, промплощадок предприятий, городов и поселков после использования их для производственных или бытовых нужд (рис. 1.4).
Общий сброс карьерных вод составляет примерно 115-120 млн.м3 в год. Из этого объема 51 % перед сбросом проходит предварительную очистку на очистных сооружениях и по своему качеству удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сточным водам, сбрасываемым в водоемы. Такая вода относится к нормативно-очищенной. Из остального объема примерно половина имеет концентрацию загрязняющих примесей, не превышающую допустимых значений, и считается нормативно чистой, то есть не требующей предварительной очистки перед сбросом. Ежегодно на разрезы Кузбасса поступает 120-140 млн. м3 воды, то есть на один разрез в среднем приходится 6-7 млн. куб. м3 воды.
Из всего объема поступающей воды 2,05 % - вода питьевого качества, а остальная - технического. Источниками поступления воды на разрезах являются карьерный водоотлив, поверхностный водозабор (реки, водохранилища, гидроотвалы), подземный водозабор (скважины), коммунальный водопровод. Наибольший объем воды поступает за счет карьерного водоотлива - 72,4 %. Забор воды из поверхностных водоемов производится в основном на разрезах с гидравлической разработкой вскрышных пород.
Карьерные воды образуются за счет стока поверхностных вод, поверхностных водоемов и водотоков, а также подземных вод. Поверхностные стоки образуются за счет дождевых и талых вод (рис.1.4). [61-62].
Карьерный водоотлив состоит из водосборника, насосов - трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры.
Выявление закономерностей колебаний объемов сброса карьерных вод в водные объекты Кузбасса
В ряде районов Кузбасса сложилась крайне сложная обстановка с водой, поэтому актуальность изучения производственных сточных вод возрастает с каждым годом. Особое внимание уделяется карьерным водам, так как наибольший объем воды, используемый на собственные нужды разрезов, и, передаваемый другим организациям, поступает за счет этих вод, а также самый большой урон экологии Кузбасса наносят именно карьерные воды.
Обеспечение водой районов Кузбасса происходит не равномерно. В Кемеровском, Беловском, Ленинск-Кузнецком, Прокопьевском Гурьевском районах сложилась крайне тяжелая обстановка. В этих районах, в результате деятельности горнодобывающих производств, постоянно снижается уровень грунтовых вод. Количество выпадающих осадков в этих районах самое минимальное по области, учитывая то, что в этих районах находится ряд крупных городов и населенных пунктов Кузбасса, то следует вести постоянный контроль за состоянием водного бассейна.
В течение года вода на разрезы поступает крайне неравномерно. В зимний период года сброс воды значительно меньше, чем в летний, когда ведутся гидровскрышные работы, а также необходимо откачивать из горных выработок дождевую воду. Максимальное поступление воды падает на период интенсивного таяния снежного покрова. В весенние месяцы апрель и май на разрезы поступает 30 % от годового сброса воды. Именно в этот период времени вода максимально загрязнена, что несет в себе непосредственную угрозу водоемам. В табл. 2.7 приведены концентрации взвешенных веществ для нескольких разрезов по пробам воды, отобранным в течение года (рис.2.1). Из наблюдений можно сделать вывод, что максимальное содержание взвешенных веществ в сточных карьерных водах приходится на период с марта по май, месяцы активного таяния снегов. Наибольшее содержание взвесей в воде в этот период приходится на разрезы северного и южного районов Кемеровской области, характеризующихся наибольшим количеством выпадающих осадков. Центральный район, где количество осадков не велико, характеризуется не значительными сезонными колебаниями содержания взвешенных веществ.
Приток атмосферных вод в карьерные выемки определяется по известной формуле:
Wa= 8HBCkiF + 25H0k2F, м3/год, (1)
где Нвс - средний слой весеннего стока, мм;
F - площадь водосбора, га;
Н0 - среднее годовое количество осадков, мм;
ki, k2 - коэффициенты, учитывающие объем дождевых и талых вод, направляемых на очистные сооружения.
Потребности разрезов в технической воде удовлетворяются в основном за счет поверхностного водозабора. Максимум потребления воды на производственные нужды приходится на теплое время года (рис.2.2).
Колебания объемов сброса носят сезонный характер и своим максимумом приходятся на апрель и май, а минимумом на январь и февраль (рис.2.3).
1. Месторасположение водосбросов, в зависимости от развития и подвигания горных работ, постоянно меняется.
2. Сброс воды на разрезах, как правило, производится одновременно в нескольких местах, часто удаленных друг от друга на значительные расстояния. Количество и расположение водосбросов рассчитывается в зависимости от объема поступающих в горные выработки вод и протяженности самих горных работ.
3. Выявлена зависимость сброса карьерных вод от времени года. Максимальный сброс карьерных вод приходится на периоды интенсивного выпадения осадков и таяния снежного покрова, т.е. весенне-летние месяцы. На зимние месяцы приходится минимальный сброс карьерных вод.
Исследование микрокомпонентного состава и выявление закономерностей миграции микроэлементов карьерных вод
Микрокомпонентный состав карьерных вод разрезов Кузбасса до настоящего времени малоизучен. Наличие микроэлементов в карьерных водах, по-видимому, обусловлено присутствием их в подземных водах угленосных отложений и миграцией элементов из горных пород и атмосферы в карьерные воды.
Содержание микроэлементов в карьерных водах обусловлено их количеством в подземных водах угленосных отложений и процессами, связанными с миграцией элементов из горных пород в карьерные воды. Количественно миграцию элементов определяют, используя коэффициент миграции л.. Коэффициент миграции вычисляется по известной формуле [68]:
где а - среднее содержание элемента в карьерных водах, %;
С - среднее содержание элемента в горных породах, %.
Средние значения коэффициента миграции для некоторых микроэлементов приведены в табл. 3.8 [21].
Минимальными миграционными свойствами обладают Ga и Sn, а максимальными - Cd, Sr, Zn (табл. 3.9). Содержание этих же элементов в шахтных водах Кузбасса находится в прямой зависимости от их миграционной способности. Следовательно, содержание и состав микроэлементов в шахтных водах находится в зависимости от состава вмещающих пород. В зависимости от миграционной способности элементы, содержащиеся в водах Кузнецкого бассейна, разделены на легко, слабо и весьма слабо мигрирующие (табл. 3.10) [68]
Можно предположить, что микроэлементный состав карьерных вод, весьма близок к шахтному по происхождению и условиям загрязнения, но содержание их различно (табл. 3.12) [85].
Сравнивая коэффициенты миграции карьерных и шахтных вод видно, что по концентрации микроэлементов коэффициент миграции карьерных вод выше (рис. 3.13). Анализируя микроэлементы, преобладающие в карьерных водах, можно предположить, что это происходит из-за поступления в карьерные воды атмосферных, ливневых и сточных вод, которые несут с собой частицы почвы. Коэффициенты миграции ряда микроэлементов карьерных вод значительно выше коэффициента миграции шахтных вод из-за поступления элементов, путем смыва с поверхности почв и непосредственного проникания из воздуха с атмосферными осадками. Ряд микроэлементов, присутствующих в карьерных водах, содержится как загрязнение в атмосфере региона (табл. 3.13).
На рис. 3.14 видно, что средняя суточная концентрация микроэлементов в карьерных водах гораздо выше, чем в шахтных водах,
Элемент Средняя суточная концентрация, мг/л Элемент Средняя суточная концентрация, мг/л
Zn 25-10 3 Си 0,6-10"3
Мп 1,3-10"5 Ni 4-Ю"3
Сг 32,4-1 (Г3 нд 7-Ю"3
РЬ 9,2-10"3 Cd 7,5-10 3
при этом простроенная кривая повторяет амплитуды кривой средней суточной концентрации в породах угленосных свит. Концентрация некоторых элементов, таких как Cd, Pb, складывается частично из концентрации этих микроэлементов в породах угленосных свит и в атмосфере.
Следовательно, существует зависимость загрязнения карьерных вод от загрязнения воздушного бассейна разреза. В зонах наибольшей концентрации производств загрязняющих атмосферу максимальное количество загрязняющих микроэлементов находится в карьерных водах. С учетом изложенного, предложена следующая формула расчета коэффициента миграции микроэлементов для карьерных вод:
1. Выявлена зависимость концентрации загрязняющих примесей в карьерных водах от времени года. Максимальный сброс загрязняющих веществ приходится на периоды интенсивного выпадения осадков и таяния снежного покрова, т.е. весенне-летние месяцы. При этом концентрация загрязняющих веществ в весенне-летний период минимальная, в связи с тем, что в эти месяцы вместе с увеличением объемов загрязняющих веществ значительно увеличивается сброс вод и в итоге средняя концентрация загрязнения наименьшая. На зимние месяцы приходится минимальный сброс загрязняющих веществ в карьерных водах и максимальная их концентрация.
2. Выявлена зависимость содержания загрязняющих примесей, находящихся в карьерных водах, от территориального расположения разреза и технологии добычи полезного ископаемого. В зависимости от концентрации и специфики производственных предприятий, а так же плотности жилищной застройки площадей, прилегающих к границам разреза, загрязняющие примеси колеблются как по содержанию, так и по концентрации.
Выбор наиболее эффективного способа очистки карьерных вод
На разрезах Северной и Центральной части Кузбасса содержание нефтепродуктов в сбрасываемой воде после очистки через массивы из вскрышных пород меньше, чем после отстаивания в прудах-осветлителях, и только на разрезах южной части Кузбасса концентрация нефтепродуктов в карьерной воде после ИФМ несколько больше («Тому-синский», «Ольжерасский», «Красногорский»).
В южной части Кузбасса на разрезах: «Ольжерасский», «Красногорский» в отводимой воде после очистки в искусственных фильтрующих массивах по сравнению с очисткой отстаиванием концентрация нитритов и нитратов меньше, а на разрезах Северной и Центральной частях района больше. На таких разрезах как «Листвянский», «Томусинский», «Новосергеевский» после очистки фильтрованием из вскрышных пород концентрация аммиака выше в два - три раза, чем после отстаивания, на других разрезах Кузбасса концентрация катионов аммиака больше после очистки карьерной воды в прудах-осветлителях.
При очистке воды фильтрованием через массивы из отходов горного производства биологическая потребность кислорода (БПК2о) меньше, чем после очистки воды в отстойниках, аналогично происходит и с химической потребностью кислорода (ХПК), исключением являются разрезы «Листвянский» и «Ольжерасскии», где БПК2о изменяется на «Листвянский» от 4,2 до 6,58 мг.экв/л и ХПК от 11,6 до 22,8 мг.экв/л, соответственно на разрезе «Ольжерасскии» от 1,96 до 3,49 мг.эвк/л и от 4,53 до 7,56мг.экв/л.
При очистке карьерной воды фильтрованием через массивы из вскрышных пород по сравнению с отстаиванием в отстойниках отводимая вода больше обогащена кислородом.
На разрезах «Листвянский», «Кедровский», «Красногорский», «Красный Брод», «Новосергеевский» в два - два с половиной раза меньше содержание катионов железа после очистки через массивы из вскрышных пород, исключением являются разрезы «Сибиргинский» и «Ольжерасскии», где содержание катионов железа меньше в сбрасываемой воде после очистки отстаиванием.
В целом по Кузбассу при открытой разработке месторождений полезных ископаемых в воде, сбрасываемой с горных участков, после очистки на искусственном фильтрующем массиве больше концентрация анионов хлора, и только на разрезах «Томусинский», «Сибиргинский», «Красный Брод» содержание хлоридов в воде меньше после очистки отстаиванием.
В карьерной воде, горных участков разрезов «Сибиргинский» и «Красный Брод» проходящей очистку через массивы из углеотходов меньше концентрация сульфатов, но на таких разрезах как «Листвян-ский» концентрация сульфатов при очистке через искусственный фильтрующий массив больше в 1,5 раза, на разрезе «Новосергеевский» в четырнадцать раз по сравнению с отстаиванием.
Отводимая вода, проходящая через массивы из отходов горного производства на разрезах «Ольжерасскии» и «Сибиргинский» в среднем имеет меньше сухой остаток, но много больше по сравнению с отстаиванием сухой остаток в карьерной воде на разрезах «Красный Брод», «Ли-ствянский».
По показателю рН вся сбрасываемая вода после очистки в отстойниках, прудах-осветлителях искусственных массивов из вскрышных пород является нейтральной.
Концентрация катионов магния при очистке карьерной воды через фильтрующие массивы на разрезах «Ольжерасскии» и «Сибиргинский» меньше, чем при очистке отстаиванием, а на разрезе «Красногорский» концентрация катионов магния в отводимой воде больше при очистке через массивы из отходов горного производства.
Концентрация катионов кальция в карьерной воде разрезов Центральной и южной части Кузбасса после очистки через искусственные массивы из вскрышных пород больше, чем при очистке в прудах-осветлителях. Так, на разрезе «Листвянский» анализ воды показал: при отстаивании в воде содержится 3,98 мг.экв/л Са2+, при фильтровании -9,42 мг.экв/л.
На разрезах «Листвянский» и «Красногорский» щелочность промстоков, сбрасываемых с горных участков, в 2 раза больше после очистки в массивах из вскрышных пород, чем при отстаивании и почти одинакова на разрезах «Кедровский» и «Ольжерасскии». Щелочность в отводимой воде после отстаивания на разрезе «Сибиргинский» больше по сравнению с очисткой фильтрованием и составила в среднем соответственно 3,87мг.экв/л и 2,54 мг.экв/л. Сравнивая результаты химических анализов воды, сбрасываемой с горных участков при открытой разработке месторождений полезных ископаемых можно сделать следующие выводы.
При очистке через массивы из отходов горного производства отводимая вода содержит меньше взвешенных веществ, нефтепродуктов, анионов хлора и больше обогащена кислородом.
Однако по некоторым показателям качество воды становится хуже: увеличился сухой остаток, вода становится жестче.
При очистке воды в отстойниках больше БПК2о, ХПК. Некоторые показатели, такие как катионы железа, аммиак, сульфаты, щелочность могут быть на одном разрезе меньше при фильтровании через массивы из вскрышных пород, на другом разрезе меньше при отстаивании в прудах-отстойниках.
