Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ изученности вопроса и задачи исследований 8
1.1. Оценка доли техногенных факторов в общем балансе токсичных металлов, содержащихся в речных водах 8
1.2. Современные способы изучения загрязнения подземных и поверхностных вод техногенными образованиями 10
1.3. Современные методы переработки и нейтрализации медно-цинковых техногенных образований 21
1.4. Задачи и методы дальнейших исследований 26
2. Характеристика исследуемых техногенных объектов 28
2 1. Характеристика хвостохранилищ 31
2.2. Характеристика отвалов 38
2.3. Характеристика объектов, производящих шахтный и карьерный водоотлив 44
2.4. Выводы 50
3. Разработка методики определения интенсивности выноса тяжелых металлов из техногенных отходов медно-цинкового производства
3.1. Общая модель развития геохимических процессов в техногенных отходах при фильтрации через них атмосферных осадков 51
3.2. Исследование зависимости концентрации железа, меди и цинка в техногенных растворах от величины водородного показателя 55
3.3. Оценка взаимного влияния металлов на их содержание в техногенных растворах 64
3.4. Вывод уравнений множественной корреляции для оценки содержания меди и цинка в фильтрате хвостохранилищ, подотвальных и рудничных водах.. 68
3.5. Методические рекомендации по оценке выноса тяжелых металлов из техногенных объектов атмосферными осадками 72
3.6. Выводы 73
4. Исследование влияния валентности железа на содержание меди и цинка в подотвальных и рудничных водах 75
4.1. Анализ результатов исследований по оценке влияния валентности железа на содержание меди и цинка в подотвальных и рудничных водах 75
4.2. Исследование корреляционных зависимостей содержания меди и цинка от концентрации трех- и двухвалентного железа в техногенных растворах 79
4.3. Оценка возможности извлечения меди из техногенных образований за счет управления процессами окисления железа 84
4.4. Выводы 91
5. Разработка типовых схем защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения экологически опасными фильтратами техногенных образований медно-цинковых месторождений 92
5.1. Переработка и консервация отходов медно-цинковых руд, складируемых в выработки отработанных карьеров (на примере карьера № 2 Гайского ГОКа) 92
5.2. Защита поверхностных и подземных вод от загрязнения фильтратом
законсервированных отвалов и хвостохранилищ (на примере хвостохранилища №1 Гайского ГОКа) 109
5.3. Очистка поверхностных и подземных вод территорий, окружающих подземные рудники после их консервации (на примере Дегтярского рудника) 118
5.4. Организация мониторинга при проведении работ по защите подземных и поверхностных вод от загрязнения стоком техногенных объектов 133
5.5. Экономическая эффективность технического этапа рекультивации при использовании геотехнологических методов 135
5.6. Выводы 138
Заключение 140
Список литературы 142
- Оценка доли техногенных факторов в общем балансе токсичных металлов, содержащихся в речных водах
- Общая модель развития геохимических процессов в техногенных отходах при фильтрации через них атмосферных осадков
- Анализ результатов исследований по оценке влияния валентности железа на содержание меди и цинка в подотвальных и рудничных водах
- Переработка и консервация отходов медно-цинковых руд, складируемых в выработки отработанных карьеров (на примере карьера № 2 Гайского ГОКа)
Введение к работе
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 разрабатьшаемых 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
5 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.
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:
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.
Предлагаемая методика оценки токсичности фильтрата обеспечивает возможность оперативной оценки экологической опасности техногенных медно-цинковых образований.
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.
6 Научная новизна работы
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.
Разработана методика, позволяющая провести оперативную оценку экологической опасности техногенных объектов на момент их экспертного обследования для принятия обоснованного решения по необходимости их нейтрализации.
Вьшолнена количественная оценка роли трехвалентного железа в выщелачивании меди
из отвалов и законсервированных рудников медно-цинковых месторождений Уральского
>
региона.
Практическая ценность работы
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.
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.
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:
«Чистая вода России - 2001» - Екатеринбург, 2001 г.
«Экологическая безопасность Урала» - Екатеринбург, 2002 г.
«Инженерная защита окружающей среды» - Москва, МГГГУ, 2002 г.
«Техногенная трансформация геологической среды» - Екатеринбург, 2002 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 работ.
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.
Оценка доли техногенных факторов в общем балансе токсичных металлов, содержащихся в речных водах
К техногенным образованиям (объектам, массивам) предприятий горнодобывающей и металлургической промышленности относятся отвалы и терриконы забалансовых руд, минерализованных пород, шлако- и золоотвалы, горные выработки, действующие и законсервированные шламо- и хвостохранилища станций нейтрализации и обогатительных фабрик и другие новообразования, а также почвы, загрязненные в результате различных видов хозяйственной деятельности [6, 39, 67].
В результате техногенного воздействия сотни тысяч гектаров водосборных площадей засыпаны отвалами. Промышленные разработки изменяют рельеф водосборов, характер и структуру ландшафта, гидрологический режим, почвы, растительный покров. Из-за дефляции и водной эрозии значительная часть загрязняющих веществ переносится на окружающие земли и в водную среду.
Как правило, сток, сформированный на техногенных образованиях, загрязнен металлами, сульфат- и хлор-ионами, а также другими компонентами, содержание которых значительно превышает предельно допустимые концентрации. В таком стоке содержание меди и цинка может достигать 100-500 мг/дм3 (Гайский ГОК, Кировградский медеплавильный комбинат и др.) [6]. Проникающие в подземные воды загрязняющие вещества из техногенных объектов в конечном итоге поступают в реки и водоемы, дренирующие подземные воды. Загрязненные подземные воды снижают качество поверхностных вод, в особенности, когда расходы рек небольшие, а подземные воды сильно загрязнены.
Изучение гидрохимических параметров речных вод Уральского региона [32] показало, что на участках рек ниже промышленных центров суммарное содержание токсичных тяжелых металлов в десятки и сотни раз превышает ПДК.
В таблице 1.1 приведены результаты расчетов по выносу тяжелых металлов в речном стоке. Исходные данные по общей массе тяжелых металлов, поступающих речную систему, взяты из "Государственных докладов о состоянии окружающей природной среды и влияния среды обитания на здоровье населения Свердловской области" [18,19].
По данным тех же "Государственных докладов ..." за 1996 и 1997 годы сброс загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты со сточными водами предприятий области составил соответственно: меди - 8,8 и 13,8 т, цинка - 37,8 и 32,5 т, марганца - 27,5 и 21,8 т, железа общего - 430 и 500 т.
При сравнении этих данных следует, что доля промышленных стоков в загрязнении речных вод составляет по меди 1,1 %, по цинку - 2,8 %, по марганцу - 0,7 %, по железу - 1,8 %, а основная масса тяжелых металлов поступает в реки с техногенных объектов, учет стоков с которых практически не ведется, и с атмосферными осадками.
Таким образом, хранилища отходов, отвалы, загрязненные территории являются источником высокого и продолжительного риска загрязнения подземных и поверхностных вод, которые используются для питьевого и производственно-технического водоснабжения, хозяйственно-бытовых нужд, ирригации. В зоне расположения техногенных массивов в подземных водах формируются гидрогеохимические ореолы загрязнения, химический состав которых зависит от количества и свойств заскладированных отходов, уровня природной и технической защищенности подземных вод, интенсивности процессов физико-химической метаморфизации подземных вод, климатических характеристик. Разгрузка загрязненных подземных вод в реки приводит к образованию в донных и боковых частях русел локальных гидрохимических аномалий, приуроченных к местам разгрузки этих вод.
Наибольшую угрозу водным объектам представляют отвалы руд и минерализованных пород цветной металлургии, отходы обогащения медно-цинкового производства, оставшиеся в недрах в виде потерь руды цветных металлов. В сточных водах, фильтрующихся из-под отвалов и хвострхранилищ, а также в рудничном водоотливе медно-колчеданных месторождений Урала содержание меди, цинка и железа достигает 100 - 500 мг/дм и выше.
Без обеспечения эффективной гидроизоляции техногенных образований от контакта с атмосферными осадками или их переработки с высокой степенью извлечения полезных компонентов, существующая ситуация с загрязнением речных вод сохранится сотни лет.
Исследование негативного воздействия техногенных массивов на различные компоненты природной среды в районах расположения предприятий по добыче и переработке минерального сырья предполагает решение следующих задач: определение характера опасности и природы загрязнения окружающей техногенные массивы среды; - изучение путей миграции загрязняющих компонентов; выделение объектов экологической защиты.
Основной сложностью в проведении исследования и оценки техногенных массивов является отсутствие общепринятых критериев опасности для объектов экологической защиты: человека, природных ландшафтов и их компонентов, а также временных диапазонов, в течение которых эти критерии оцениваются.
Совет по вопросам экологии при ЕС охарактеризовал состояние исследований, проводимых в районах хранилищ отходов, следующим образом [61]: - опасность воздействия техногенных массивов на природную среду оценивается только качественно, количественные оценки отсутствуют; - масштаб опасности устанавливается с помощью выборочных проб, поэтому сведения об изучаемом объекте (массиве отходов, загрязненной среде и путях распространения) не отличаются полнотой. Это особенно касается данных о составе и количестве вредных веществ и их производных; о свойствах и распространении веществ и их производных в охраняемых средах; о соотношении между физико-химическими свойствами веществ и их воздействием; - единые и общепринятые критерии оценки воздействия вредных веществ и их производных на окружающую среду не разработаны. Оценка техногенного влияния на качество подземных и поверхностных вод проводится на основе анализа и изучения двух систем - техногенной и природной. При характеристике объекта необходим учет природно-климатических условий района расположения, площади и объема сооружения, его формы, конструкции, расчетного времени и способа эксплуатации. Определяются также минеральный состав, химические, физико-химические и физико-механические свойства объектов складирования. Целью любого исследования является получение максимального количества информации при минимальных затратах [11]. Для этого существуют специальные технологии с постепенным расширением масштабов исследовательских мероприятий, а также целый ряд общих правил. На предварительной стадии используются следующие методы: 1) геофизические; 2) геотехнические; 3) химические; 4) биологические. Первые два служат для обнаружения факторов риска на подозреваемых площадях и изучения условий территории в отношении возможности сброса вредных веществ и их распространения. Третья группа методов предназначена для установления факта загрязнения окружающей среды и вызвавших его вредных веществ. Четвертый метод служит для определения негативного воздействия на флору и фауну, включая человека.
Общая модель развития геохимических процессов в техногенных отходах при фильтрации через них атмосферных осадков
При отработке месторождений на земную поверхность извлекаются большие массы пород, значительная часть которых складируется в отвалы. Практически во всех рудных и вмещающих породах разрабатываемых железорудных месторождений Урала содержатся сульфидные минералы (пирит, халькопирит, сфалерит и др.). Окисление сульфидов происходит в условиях их активного взаимодействия на поверхности свежеобнаженных отвальных пород с атмосферой влагой и кислородом воздуха.
Прямая растворимость сульфидов в чистой воде очень мала [75] и в зоне окисления целиком перекрывается растворимостью, обусловленной процессами окисления свободным кислородом, кислотными дождями и образующимися при этом в техногенных образованиях такими соединениями как H2SO4, Fe2(S04)3 и т.д.
Атмосферные осадки даже в экологически чистых районах имеют рН = 5,6 за счет растворенного в воде СОг, т.е. за счет угольной кислоты Н2СО3. Содержащиеся в выбросах предприятий соединения серы, хлора и азота при взаимодействии с водой дают слабые растворы H2S04, НС1 и HN03.
Химический состав атмосферных осадков на метеостанциях Урала приведен в таблице 3.1. [94]. Следует отметить, что эти данные не характеризуют осадки в пределах промышленных объектов, где воды более кислые и насыщены различными компонентами. Средние значения минерализации - 0,01-0,03 г/л; максимальная величина водородного показателя - 7,8, минимальная - 3,6, средние значения рН колеблются в интервале от 5,0 до 7,1. Среднее содержание НСОз" в воздухе по Уралу изменяется от 0,01 до 0,050 г/л, т.е. атмосферные осадки имеют очень малый запас щелочности - ориентировочно в 10 раз меньше, чем в подземных водах. Следует учитывать и то, что дождевые воды более насыщены кислородом.
Техногенные объекты, образованные в результате разработки сульфидных месторождений, являются областью протекания многообразных процессов, в конечном итоге ведущих к полному удалению серы и к рассеянию элементов, входящих в состав горной массы, преобразованной в процессе добычи и при обогащении руд. Смирнов С.С. [75] среди всей этой совокупности процессов выделил следующие группы: - процессы окисления и растворения сульфидов, способствующие возникновению разнообразных, в большинстве хорошо растворимых в воде сульфатов, обусловливающих значительный вынос металлов из зоны окисления; - процессы осаждения из сульфатных растворов целого ряда кислородных соединений, чаще уже вовсе не содержащих серы (карбонаты, оксиды и гидроксиды, фосфаты, силикаты и др.); - процессы растворения и переосаждения этих кислородных соединений, еще более усиливающие освобождение зоны окисления от ряда элементов.
Эти процессы в различной обстановке и для различного сульфидного материала проходят весьма разнообразно как в отношении скорости, так и в отношении общего характера. В дождевой воде содержится газ, состоящий в основном из кислорода, азота и углекислоты. Главное значение на начальной стадии изменения сульфидного материала имеет кислород. По мере того как дождевые воды просачиваются через тело техногенного объекта, они все более лишаются свободного кислорода. В результате выпадения кислотных дождей на поверхность законсервированных хвостохранилищ пирит окисляется и кислотность водной фазы снижается с 8-9 (при эксплуатации) до 3-4, поэтому концентрации тяжелых металлов в фильтрате, поступающем из хвостохранилища в поверхностные и подземные воды, резко повышаются.
Вначале, когда куски и частицы породы выщелачиваются растворителем с поверхности и на небольшую глубину, этот процесс протекает быстрее, чем при последующей стадии выщелачивания более глубоких слоев. На первой стадии процесс -фильтрационный, на второй - инфильтрационный (капиллярный).
По расчетам специалистов [19], при снижении рН в шламах Кировградской фабрики с большой площади хвостохранилищ, определяющей количество фильтрующихся атмосферных осадков, а также высокой тонкости помола, с учетом соотношений удельной активной поверхности шламов и отвальной горной массы, годовой вынос металлов с 1 га территории законсервированных хвостохранилищ не может быть ниже: по меди - 30-35 т, по цинку - 40-60 т, по сере (сульфатам) - до 200 т. Этим и обусловлена особая опасность отсутствия гидроизоляции хвостохранилищ при их консервации.
Конденсационные воды, накапливаясь в теле техногенного массива в результате выпадения атмосферных осадков и протекания в них процессов окисления, растворения продуктов окисления и осаждения гидросульфатов, формируют состав кислых вод, в которых установлены практически все элементы, содержащиеся в рудах и вмещающих породах разрабатываемых медно-цинковых месторождений.
Основными металлами, выносимыми из сульфидных техногенных объектов, являются железо, медь и цинк.
Железо широко распространено в земной коре (около 4,2 % по весу). Минералы, содержащие железо, представлены широким рядом сульфидных соединений: пирит (FeS2), пирротин (FeS), марказит (FeS2), арсеноїшрит (FeAsS), халькопирит (CuFeS2), борнит (Cu5FeS4) и многие другие.
Содержание ионов железа лимитируется величиной рН. При рН 2,5 и выше окисное железо неустойчиво и вьшадает в осадок. Закисное железо становится неустойчивым при рН 6,5.
Образующаяся свободная серная кислота активно взаимодействует с породами. Постоянное поступление свежих порций воды и удаление рудничных вод способствует смещению реакции вправо, т.е. поддерживается непрерывность ее протекания. Трудно " растворимая гидроокись железа, образующаяся при реакции, выпадает в виде геля, который, гидратизируясь, превращается в лимонит, остающийся в зоне окисления.
Медь является одним из наиболее хорошо изученных элементов в области гидрогеохимии. Минералы меди представлены в основном сульфидами, среди которых самые распространенные - халькопирит (CuFeS2), ковеллин (CuS), халькозин (C11S2) и борнит (Cu5FeS4). В зоне окисления медные минералы легко разлагаются, образуя вторичные сульфиды, оксиды, гидроксиды, сульфаты, карбонаты, фосфаты, силикаты и другие гипергенные минералы. Соединения одновалентной меди трудно растворимы, двухвалентная медь образует как легко, так и труднорастворимые минералы.
Анализ результатов исследований по оценке влияния валентности железа на содержание меди и цинка в подотвальных и рудничных водах
Роль трехвалентного железа в качестве одного из основных окислителей сульфидов рудных месторождений известна давно и широко освещена в литературе [12, 21, 36, 43, 45, 54, 62, 67, 75, 86]. Исследования по оценке влияния валентности железа на содержание металлов в подотвальных и карьерных водах проводились Халезовым Б.Д. [92], Рыбаковым Ю.С. [67], Чижовым Е.А. [95], Коминым А.В. [34] в работах, посвященных охране водных объектов от загрязненного стока с техногенных образований методами химической рекультивации. Халезовым Б.Д. [92] была оценена возможность выщелачивания пород рудника им. III Интернационала без сортировки при перевалке отвалов. На пробе промышленной крупности (-150 мм) отвала 3 весом 266 кг проведена контрольная проверка полной технологической схемы с получением 85%-го осадка цементационной меди и 50%-го цинкового продукта. Согласно проекту, на руднике им. III Интернационала медь может извлекаться цементацией на железном скрапе на 95-98 %, цинк - 25%-м раствором гидросульфида натрия на 90 %. Представляет определенный интерес поведение железа на различных стадиях технологического процесса. Например, содержание железа в продукционных растворах эксперимента - 1,2 г/дм (в том числе Fe - 1 г/дм ; Fe - 0,2 г/дм ; рН = 2,5-3), после цементации - 3 г/дм3 (в том числе Fe3+ - 0 г/дм3; рН = 3-4), после извлечения цинка - 2,9-3 г/дм3 (в том числе Fe3+ - 0 г/дм3; рН = 2,2-2,5). Повышение содержания железа в растворах после цементации легко объясняется растворением железа при цементации в соответствии с количеством цементируемой меди: Си + FeMer - Симег + Fe .
После извлечения цинка содержание железа практически не изменяется, так как способ извлечения обеспечивает селективное осаждение цинка в концентрат. После регенерации оборотных растворов содержание Fe повышается до 1 - 2 г/дм , что достаточно для окисления первичных сульфидов меди. Наличие Fe3+ в продукционных растворах свидетельствует об общей окислительной ситуации в массе выщелачивания породы. Уменьшение содержания железа в продукционных растворах по сравнению с оборотными с 2,5 до 1,2 г/дм3 объясняется осаждением железа в виде ярозитов по реакции: 6FeOHS04 + R2SO4 + 6Н20 -+ 2RFe3(OH)6(S04)2, где R - щелочной металл (в нашем случае - Na), а также в виде основных сульфатов железа — Fe2(S04)3Fe2C 3. Ярозиты и основные сульфаты железа осаждаются, главным образом, в верхних слоях отвала, который одновременно является источником получения цветных металлов и очистным сооружением, аккумулирующим, в частности, избыток накапливающихся в обороте технологической схемы ионов железа. Понижение кислотности при цементации объясняется потреблением кислоты в процессе частичного растворения металлического железа по реакции: FeMCT + H2SO4 -» FeS04 + H2t. При последующей операции извлечения цинка происходит подкисление растворов: ZnS04 + NaHS = ZnS l + H2S04 + Na2S04. Растворы после отделения осадка ZnS дополнительно подкисляются в прудке-регенераторе по реакции: 4FeS04 + 2H2S04 + 02 + микроортшизиьі(ТкРеггоохісіат) - 2Fe2(S04)3 + 2Н20 и подаются на выщелачивание. В настоящее время Рыбаковым Ю.С. [67] разработаны технологические схемы химической рекультивации отвалов различных классов медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд и минерализованных пород с использованием методов кучного выщелачивания. Для проведения исследований выщелачивания руд и минерализованньгх пород из отвалов отбирали представительные пробы, которые подвергались гранулометрическому анализу, а также часть их дробилась до крупности -30+0 и -10+0 мм для поисковых и технологических исследований. Согласно гранулометрическому составу отбирали пробы для проведения исследований перколяционного выщелачивания.
Для перколяционных исследований были изготовлены цилиндрические стеклянные и полиэтиленовые перколяторы различной емкости с ложным дном в виде сетки из нержавеющей стали, служившей одним из электродов для интенсификации вьпцелачивания наложением электрических полей.
Опыты проводили в режиме замкнутого оборота растворов, включающего извлечение металлов в товарную продукцию, регенерацию растворов и подачу их вновь на выщелачивание.
После ионного обмена, очищенные от цветных металлов растворы содержали серную кислоту концентрацией до 3 г/дм3, что достаточно для интенсивного вьпцелачивания медно-цинковых руд и минерализованных пород. В то же время рекомендуется их подавать не на отвал, а в хвостовой прудок-регенератор для окисления двухвалентного железа до трехвалентного, чтобы усилить реакционную способность растворов. Было установлено, что железо в таких растворах за 8-10 часов окисляется на 70 - 80 % до трехвалентного состояния. Это происходит как за счет взаимодействия кислорода атмосферного воздуха, так и за счет деятельности тионовых бактерий типа Thiobacillus Ferrooxidans.
При орошении медных руд, залегающих в породах кислого состава, водой или оборотными растворами без специальной добавки серной кислоты выщелачивание руд идет достаточно интенсивно. При этом в продуктивных растворах величина рН была от 2,6 до 4, а содержание железа и меди более 50 мг/дм3. Это показывает, что в руде инициируются процессы окисления, в первую очередь вторичных сульфидов, а также идет растворение сульфатных соединений меди и железа. Железо гидролизуясь выделяет серную кислоту.
Наиболее перспективным в практике вьпцелачивания некондиционных руд следует считать введение в раствор таких окислителей, как, например, трехвалентное железо. Последнее в процессе вьпцелачивания переходит в двухвалентную форму. Последующее окисление двухвалентного железа до трехвалентной формы осуществляют хлором, с помощью тионовых бактерий, при аэрации воздухом, постоянным током, но это не всегда экономически выгодно.
Переработка и консервация отходов медно-цинковых руд, складируемых в выработки отработанных карьеров (на примере карьера № 2 Гайского ГОКа)
Одним из крупнейших горнодобывающих предприятий Урала является Гайский горно-обогатительный комбинат, расположенный на северо-востоке Оренбургской области (рис. 5.1. [88]). Комбинат производит медный, цинковый и пиритный концентраты. По итогам 2001 года на предприятии было добыто 4222 тысяч тонн руды и вьшлавлено 65047 тонн меди.
Гайский ГОК добывает и перерабатывает руды Гайского медно-колчеданного месторождения, которое было открыто в 1950 - 1953 годах. Первый ковш вскрыши в карьере № 1 был вынут 9 мая 1959 г. Затем началось строительство подземного рудника и обогатительной фабрики.
Геологические и гидрогеологические условия расположения объектов Гайского ГОКа рассматриваются согласно представлениям, изложенным в отчете «Заявление о воздействии на окружающую среду по проекту размещения хвостохранилища обогатительной фабрики Гайского ГОКа в отработанном карьере № 2» [48].
Данные анализа проб воды показывают, что воздействие Гайского ГОКа относительно невелико, за исключением р. Колпачки, где существенно больше масса сухого остатка и сульфатов.
Гайский рудный район расположен в пределах меридионально вытянутой полосы шириной до 25 км. Большая часть территории его сложена терригенными породами улутаусской свиты среднего девона (D2 dv ul), среди которых выявлен ряд таких структур, как Гайская, Родниковская, Орская и др. В плане Гайская структура имеет вид брахиантиклинали, погружающейся в северном, южном и восточном направлениях, и представляет собой двухярусное палеовулканическое сооружение, расположенное на западном крыле Магнитогорского мегасинклинория. Сложена структура разнообразными пирокластами андезит-дацит-липаритового состава, образующими мощную (до 800 м) толщу. Выше залегает пачка туфобрекчий и туфов смешанного состава, мощностью от 10 -20 до 150 - 200 м, на которой с размывом залегают породы андезито-базальтовой толщи с горизонтом туфогенно-осадочных пород в основании. В плане вулканиты имеют сложный контур, вытянутый по азимуту 350 - 355, длиной около 6 км. В осевой части структуры протягивается субмеридиональная зона очень плотного строения, вмещающая все рудные залежи и проявления сульфидной минерализации. Палеозойский комплекс перекрыт породами мезокайнозойского возраста мощностью до 70 м. Гидрогеологические условия представлены тремя основными водоносными горизонтами: воды в техногенных отложениях; - воды юрских песчаных отложений; - трещинные воды палеозойского комплекса пород. Кроме перечисленных, отмечаются воды спорадического распространения в четвертичных и плиоценовых отложениях, которые на территории.разработок полностью сдренированы. За длительный период отработки карьеров Гайского месторождения около них, с севера, востока и юга были образованы отвалы пустых пород, вскрыши и бедных руд (рис. 5.2). В этих отвалах в результате инфильтрации атмосферных осадков сформировался водоносный горизонт техногенных вод, проявляющийся в виде родников, выходящих у подошвы отвалов и стекающих в специально созданные для этого водоспуски для сброса этих вод в пруды - накопители. Подотвальные воды характеризуются высоким содержанием сульфатов и представляют собой концентрированные рассолы кислого состава (табл. 5.2). Техногенные воды Гайского ГОКа весьма разнообразны по своему химическому составу, что обусловлено, прежде всего, различной степенью их кислотности. Как свидетельствуют данные табл. 5.2, при снижении водородного показателя ниже 4,0 содержание сульфатов, меди, цинка и железа в воде достигает таких значений, при которых ее использование даже для технических нужд становится невозможным. Это распространяется на подотвальные и карьерные воды, шахтные воды и воды прудка кислых вод. В то же время жидкая фаза пульпы хвостохранилища и воды пруда осветленных вод имеет существенно более низкое содержание тяжелых металлов.
Воды юрского водоносного горизонта циркулируют в песчано-галечниковых отложениях и вскрываются колодцами и скважинами на глубинах от 8 - 10 до 40 - 50 м. Водоносность юрских песчаных отложений характеризуется удельными дебитами от 0,01 до 1,28 дм /сек. На площади отработки месторождения эти воды полностью сдренированы.
Среди юрских вод вне месторождения встречаются пресные воды с минерализацией до 300 мг/л. К этому водоносному горизонту приурочены и минеральные воды (курорт Гай) сульфатного типа с минерализацией от 17 до 23 г/дм . Отработка карьера № 2 способствовала снижению пьезометрической поверхности на 12,5 м, в связи с чем перестали функционировать ряд источников и снизился дебит минеральных вод.
Воды в рыхлых отложениях относятся к сульфатным, хлоридно-сульфатным и сульфатно-хлоридным типам. Сульфатные воды прослеживаются по скважинам к югу от карьера № 2, протягиваясь узкой полосой вдоль борта депрессии и восточнее курорта Гай, где они занимают значительную площадь. Минерализация от 1,6 - 6,7 г/дм до 12-14 г/дм , рН = 3,2 - 5,5, преобладающий катион натрий. Хлоридно-сульфатные воды развиты в центре депрессии на ограниченной площади. Минерализация от 2,2 г/дм до 4,2 г/дм , преобладающий катион натрий, реже кальций и магний.
К востоку от карьера № 2 наблюдается полоса сульфатно-хлоридно-натриевых вод, при этом отмечено, что непосредственно к карьеру примыкает площадь с минерализацией воды до 2,0 - 3,5 г/дм , далее к югу и востоку от этой площади минерализация увеличивается до 4,9 - 9,5 г/дм3. Реакция водной среды от слабо щелочной на севере до кислой. Площадь развития кислых вод (с рН 4) на юге и востоке ограничена контуром распространения рыхлых отложений.
Повышенная кислотность подземных вод юрских отложений характерна как для эксплуатационных скважин курорта Гай, так и для всего района, как по массе сухого остатка, так и по тяжелым металлам. Такое совпадение свидетельствует о том, что до настоящего времени деятельность Гайского ГОКа не привела к существенному ухудшению качества вод юрского горизонта, и они по-прежнему могут использоваться в лечебных целях. Однако, в дальнейшем ситуация может измениться, если не будут приняты меры для гидроизоляции близ расположенного отвала № 2 или полного перехвата и отвода подотвальных вод. Следует отметить также, что кислотность подотвальных вод даже выше, чем в накопителе кислых рудничных вод, что обусловлено в первую очередь интенсивным развитием окислительных процессов за счет проникновения в отвал атмосферных осадков, насыщенных кислородом.
Похожие диссертации на Методика оперативной оценки экологической опасности отходов при разработке медно-цинковых месторождений Урала и перспективные способы их нейтрализации
