Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Рыбаков Ю.С. 1 Дальков М.П. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уральский институт государственной противопожарной службы» МЧС России
В результате деятельности предприятий химической и металлургической промышленности в их технологическом цикле возникают опасные техногенные образования, размещающиеся на техногенной провинции, несущая опасность окружающей среде и в первую очередь человеку. Однако наибольшую опасность представляют отвалы руд и пород предприятий цветной металлургии. В сточных водах, стекающих с техногенных образований на обследованных нами предприятиях содержание меди, цинка и железа в тысячи и сотни тысяч раз превышает ПДК. Проводили исследование раствора после выщелачивания металлов из отобранных проб материалов путем получения водно-кислотной вытяжки в перколяционном режиме. Критерием опасности техногенных образований являлось превышение содержания опасных элементов и веществ их ПДК. Установлено, что шлако- и золоотвалы, шламо- и хвостохранилища незначительно загрязняют водные объекты. Также установлено, что основными загрязнителями являются отвалы медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд. В результате исследований разработана классификация отвальных руд и пород по степени опасности для окружающей среды и человека, а также даны их химическая и минералогическая характеристики для оценки их степени опасности.
техногенные образования
техногенная провинция
отвалы руд и пород
оценка класса опасности
превышение ПДК
химическая и минералогическая характеристики.
1. Рыбаков Ю.С., Рыбаков А.Ю., Овсянников А.Ю. Организационно-экономический механизм и инвестиционные проекты рекультивации техногенных образований. – Екатеринбург: Изд-во Урал.гос.экон.ун-та,, 2011. – 141 с.
2. Рыбаков Ю.С. Управление качеством вод на техногенной провинции медно-цинковых рудников // Современные проблемы науки и образования.- 2013.- № 1 (электронное издание). http: //www. Science-education.ru /107-8271
3. Халезов Б.Д. Кучное выщелачивание медных и медно-цинковых руд.- Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2013.- 332 с.
4. Рыбаков А.Ю., Федоров М.В., Рыбаков Ю.С. Проблемы продовольственной безопасности в зоне деятельности предприятий горно-промышленного комплекса // Продовольственная безопасность в системе народосбережения / Сб.научн.тр.- Екатеринбург: УрГЭУ, 2006.- Ч. 1.- С. 128-131.
5. Рыбаков Ю.С., Рыбаков А.Ю. Рудный техногенез и качество пищевых продуктов // Современное хлебопекарное производство, перспективы его развития / Сб.научн.тр.- Екатеринбург: УрГЭУ, 2006.- С. 70-74.
6. Рыбаков Ю.С. Управление качеством сточных вод и выщелачивающих растворов при химической рекультивации отвалов руд и пород цветной металлургии // Известия УрГЭУ.-2013.-№ 3-4.- С. 136-142.
7. Рыбаков Ю.С., Рыбаков А.Ю., Неугодникова И.В. Предотвращение загрязнения почв и водных объектов стоком с отвалов свинцово-цинковых руд и пород // Безопасность жизнедеятельности на железнодорожном транспорте / Сб.научн.тр. – Екатеринбург: УрГУПС, 2006. – С. 152–168.
8. Рыбаков Ю.С. Предотвращение загрязнения вод стоками с техногенных образований цветной металлургии // Экология и безопасность жизнедеятельности / Сб.научн.тр. – Екатеринбург: УрГУПС, 2003. – С. 75–83.
9. Предельно-допустимые концентрации химических элементов в окружающей среде: Справочник / Сост. Г.П.Беспамятов, Н.А.Кротов. - Л.: Химия, 1985. - 528 с.
10. Каковский И.А., Набойченко С.С. Термодинамика и кинетика гидрометаллургических процессов. - Алма-Ата: Наука, 1986. - 270 с.

В результате добычи и переработки полезных ископаемых, в особенности при открытых горных работах, предприятиями цветной  металлургии и химической промышленности сотни тысяч гектаров водосборных территорий занимаются различными техногенными образованиями. Возникает техногенная провинция предприятия, несущая опасность окружающей среде и в первую очередь человеку  [1-3]. При этом промышленные разработки загрязняют водные объекты и почвы,  изменяют рельеф местности,  характер и структуру ландшафта, гидрологический режим. В связи с этим в человеческий организм и сельскохозяйственную продукцию происходит поступление токсических веществ из атмосферного воздуха, почвы и водоемов, что порождает проблемы, связанные с накоплением в продовольственном сырье и продуктах питания чужеродных  веществ, или ксенобиотиков, и ставит целый ряд задач, нацеленных на обеспечение безопасности продуктов питания и источников питьевого водоснабжения [4, 5].

К техногенным образованиям предприятий горнохимической 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 [1, 2, 6].

Поэтому нами были проведены исследования по выщелачиванию руд и пород в лабораторных и полупромышленных условиях, а также осуществлена классификация техногенных образований по минералогическим характеристикам, скоростям выщелачивания загрязняющих элементов и по степени опасности для окружающей среды.

Цель работы. Оценить потенциальную опасность перечисленных выше техногенных образований горнохимической и металлургической промышленности на окружающую среду и человека.

Материал и методы исследования

Для исследований потенциальной опасности техногенных образований были отобраны пробы: шлаков со шлакоотвалов Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ),  Кировградского (КМК) и  Красноуральского (КУМК) медеплавильных комбинатов; шламов из шламохранилищ станций нейтрализации Левихинского рудника КМК, Восточно-Казахстанского медно-химического (ВКМХК), Иртышского химико-металлургического завода (ИХМЗ) и Башкирского медно-серного (БМСК) комбинатов; хвостов обогащения ВКМХК, БМСК,Карабашкогомедеплавильногог (КарМК), Учалинского(УГОК)   и Гайского (ГГОК) горно-обогатительных комбинатов; оставшиеся в недрах горные потери руд цветных  металлов Золотушинского рудника АО «Алтайполиметалл», Левихиского рудника КМК, КарМК и Шерловогорского рудника Шерловогорского ГОКа; забалансовые руды ВКМХК, КМК, Салаирского ГОКа и ряда других рудников.

Пробы руд были отобраны  в период обследования рудников.  Полученные пробы естественной крупности подвергались гранулометрическому анализу, часть их дробилась до крупности -30 + 0 и -10 + 0 мм (для поисковых и технологических исследований). Химический и минералогический анализы проб делались на стадии пробоотбора.

Проводили исследование раствора после выщелачивания металлов из отобранных проб материалов путем получения водно-кислотной вытяжки в перколяционном режиме.  Механизм процесса перколяционного выщелачивания в общих чертах соответствует механизму естественногорастворения металлов в условиях просачивания дождевых и паводковых вод через естественные трещины, поры и сквозь раздробленную горную массу.Исследования по выщелачиванию кускового материала осуществляли в перколяторах по методикам, описанным в работах [3, 7, 8].

Критерием опасности техногенных образований являлось превышение содержания опасных элементов и веществ в полученных растворахперколяционного выщелачиванияих предельно допустимых концентраций (ПДК)[9].

Результаты исследований и их обсуждение

В процессе исследований получены следующие результаты.

Из перечисленных выше техногенных образований шлако- и золоотвалы незначительно загрязняют водные  объекты. Содержащиеся  в них компоненты  находятся  в  остеклованном  виде  в соединении с кремнием и практически нерастворимы в водной среде, формируемой на этих образованиях за счет атмосферных осадков. Это подтверждено обследованием шлакоотвалов Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ),  Кировградского (КМК) и  Красноуральского (КУМК) медеплавильных комбинатов. Было показано, что сточные воды,  вытекающие из-под них, загрязнены  только  твердыми взвесями. Превышения ПДК не обнаружено как на месте складирования этих техногенных образований, так и в процессе исследований выщелачивания проб шлаков, что позволяет отнести их к неопасным для окружающей среды.

Сток шламохранилищ станций нейтрализации, как правило, наоборот значительно загрязнен металлами, сульфат- и хлор-ионами. Так, например, воды, сбрасываемые в реку Тагил из шламохранилищаЛевихинского рудника КМК содержат, мг/дм3: меди - до 8, цинка - до 15,  железа - до 2,  взвешенных веществ - до 30,  сухой остаток - более 3500. В то же время как ПДК для рыбохозяйственного водоема [9] составляют, мг/дм3: по меди - 0,001; цинку - 0,01; железу - 0,5.  Сами  же шламы в сухом виде содержат, %:  меди - 0,8-0,9; цинка - до 0,73;  свинца - до 0,02; железа -  до 10; серы - более 8.  Формы нахождения металлов в шламе гидратная, то есть при определенных условиях шламы можно отнести к опасным для окружающей среды.

Сток хвостохранилищ менее загрязнен, чем сток шламохранилищ. Это связано с тем, что на обогатительных фабриках перерабатывается сульфидное сырье, которое плохо растворимо в нейтральной и щелочной средах хвостохранилища,  Так,  например,  обследованный  дренаж хвостохранилищ АО «Алтайполиметалл» содержал, мг/дм3: меди - до 0,75, цинка - до 10. Такая  же картина наблюдается и на других хвостохранилищах.

Оставшиеся в недрах горные потери руд цветных  металлов  так же являются  постоянным источником загрязнения окружающей среды в связи с медленно текущими окислительными процессами и выщелачиванием образующихся оксидов подземными водами. Данные процессы практически не контролируются и наносят ущерб окружающей среде. Так, например,  в  шахтных  водах  Золотушинского рудника АО «Алтайполиметалл» содержание меди составляло 5,4 мг/дм3, цинка - 51,1 мг/дм3.  Общий водоприток составляет 50 м3/час.  В настоящее время предприятие не работает и имеется большая вероятность, что эти воды практически без очистки попадают в реку Золотушку.  Такая же ситуация грозит осуществиться на Карабашском, Левихинском и Шерловогорском рудниках.

Однако наибольшую опасность водным объектам представляют отвалы руд и пород предприятий цветной  металлургии. В сточных водах, стекающих с техногенных образований на  обследованных нами предприятиях содержание меди, цинка и железа достигает 100-500 мг/дм3, свинца - до 10 мг/дм3, что в тысячи и сотни тысяч раз превышает ПДК.Также установлено, что основными загрязнителями подотвального стока с отвалов медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд являются медь, цинк, железо.  В меньшей степени сток загрязнен свинцом, молибденом и мышьяком.

Основными рудными минералами, в которых сосредоточены эти металлы являются: пирит (FeS2), марказит (FeS2), арсенопирит (FeAsS), пирротин (FеS), гетит, лимонит (FeOOH), магнетит (Fe3О4), халькопирит (СuFeS2), халькозин (Сu2S), ковеллин (СuS), тенорит (СuO), куприт (Cu2O), малахит [Cu2(CO3)(OH)2], сфалерит (ZnS), цинкит (ZnO), смитсонит (ZnCO3), гослерит (ZnSO4), галенит (PbS), церрусит (РbSO4), ангизит (PbCl2), молибденит (МoS2), повеллит (СaMoO4), ферримолибдит [Fe2(MoO4)3]. Наличие в рудах значительного количества серы и сульфатов в естественных условиях техногенной провинции приводит к наработке значительного количества серной кислоты, которая служит хорошим растворителем и способствует окислению сульфидных минералов[1, 3]. Предыдущее утверждение можно объяснить следующими химическими превращениями. В процессе растворения ряда сульфидных минералов, которое катализируется тионовыми бактериями, в орошающих растворах появляется двухвалентное железо и элементарная сера. Элементарная сера при окислении кислородом образует серную  кислоту, которая образуется также и при гидролизе трехвалентого железа. Одновременно двухвалентное железо окисляется кислородом,  то есть в процессе выщелачивания возможна регенерация серной кислоты и трехвалентного железа[10]. Химические реакции по окислению и растворению рудных минералов и их термодинамический анализ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Изменение энергии Гиббса химических реакций растворения рудных минералов

 

 

Уравнения химических реакций

Изменение энергии Гиббса, кДж/моль

п/п

 

298°С

373°С

I группа

1.

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

- 42.41

- 62.30

2.

CuCO3 + H2SO4 = CuSO4 + CO2­ + H2O

- 20.35

- 35.41

3. 

ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O

- 96.64

- 110.20

4.

ZnCO3 + H2SO4 = ZnSO4 + CO2­ + H2O

- 17.93

- 23.82

5.

PbCO3 + H2SO4 = PbSO4 + CO2­ + H2O

- 30.91

-33.20

6.

PbSO4 + 3NaCl = NaPbCl3 + Na2SO4

Не определено

7.

PbCl2 + NaCl = NaPbCl3

Не определено

8.

Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O

- 35.21

- 37.60

9.

CaMoO4 + H2SO4 = CaSO4 + H2MoO4

- 8.15

- 10.35

10.

Fe2(MoO4)3 + 3H2SO4 = 3H2MoO4 + Fe2(SO4)3

- 39.80

- 43.20

II группа

11.

2S0 + 3O2 + 2H2SO4

- 531.47

- 381.25

12.

4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2(SO4)3 + 2H2O

- 48.32

- 16.50

13.

2Cu2O + O2 + 4H2SO4 = 4CuSO4 + 4H2O

- 208.92

- 120.30

14.

2CuS + O2 + 2H2SO4 = 2CuSO4 + 2H2O + 2S0

- 126.41

- 92.40

15.

Cu2S + O2 + 2H2SO4 = 2CuSO4 + 2H2O + S0

- 265.72

- 180.70

16.

CuFeS2+O2+2H2SO4=CuSO4+FeSO4+2H2O+2S0

- 339.21

- 225.79

17.

2ZnS + O2 + 2H2SO4 = 2ZnSO4 + 2H2O + 2S0

- 188.91

- 125.68

18.

2PbS + O2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + 2S0

- 125.24

- 109.74

 

 

Уравнения химических реакций

Изменение энергии Гиббса, кДж/моль

п/п

 

298°С

373°С

19.

2FeS2 + O2 + 2H2SO4 = 2FeSO4 + 2H2O + 4S0

- 174.97

- 120.04

20.

2FeS + O2 + 2H2SO4 = 2FeSO4 + 2H2O + 2S0

- 127.12

- 104.71

21.

MoS2 + 6H2O2 + O2 = H2MoO4 + 2H2SO4

- 305.28

- 241.32

22.

2Fe2(SO4)3 + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 6H2SO4

- 229.57

- 69.33

III группа

23.

Cu2O+H2SO4+Fe2(SO4)3=2CuSO4+2FeSO4+H2O

- 112.42

- 120.60

24.

CuS + Fe2(SO4)3 = CuSO4 + 2FeSO4 +S0

- 29.98

- 33.87

25.

CuS2 + 2Fe2(SO4)3 = 2CuSO4 + 4FeSO4 +S0

- 50.91

- 53.42

26.

CuFeS2 + 2Fe2(SO4)3 = CuSO4 + 5FeSO4 +S0

- 73.02

- 79.88

27.

ZnS + Fe2(SO4)3 = ZnSO4 + 2FeSO4 + S0

- 92.28

- 92.70

28.

PbS + Fe2(SO4)3 = PbSO4 + 2FeSO4 + S0

- 25.76

- 27.3

29.

FeS2 + Fe2(SO4)3 = 3FeSO4 + 2S0

- 78.34

- 87.04

30.

FeS + Fe2(SO4)3 = 3FeSO4 + S0

- 26.70

- 27.8

Согласно данным табл. 1 все химические реакции по растворению минералов медных, медно-цинковых, свинцово-цинковых и молибденовых руд в сернокислотной среде можно разделить на 3 группы:

I  - растворение минералов без добавки окислителей,

II - окисление сульфидов и других соединений кислородом,

III - окисление и растворение минералов трехвалентным железом.

Сопоставление величин изменения энергии Гиббса для реакций различных групп в первом приближении указывает на  предпочтительность выщелачивания с участием кислорода. Прямое кислотное выщелачивание некоторых сульфидов возможно лишь при  температурах выше 100°С.  Однако низкая растворимость кислорода в водных растворах (до 8 мг/дм3) снижает эффективность реакций II группы.

Восстановление оксида железа (III) до (II) имеет большую вероятность для температур 25-100°С, а развитие процесса окисления железа (II) и гидролиз солей железа (III) предпочтителен при температурах близких к 25°С. При этом для реакций I и II групп характерно увеличение абсолютного значения энергии Гиббса с повышением температуры. В то же время для реакций II группы наблюдается обратная картина. Это объясняется снижением концентрации растворенного кислорода в растворах с повышением температуры.

Результаты перколяционного исследования по выщелачиванию представлены в табл.2, в которой руды и породы объединены в классы в порядке убывания степени опасности для окружающей среды и человека (первый класс самый опасный). Для удобства восприятия в таблице приводятся данные по содержанию меди в растворе, как наиболее опасному металлу-загрязнителю.

Таблица 2

Результаты перколяционного выщелачивания руд и пород

Класс опасности руд и пород

Тип руды в отвале

Среднее содержание меди в вытяжке

мг/дм3

в долях ПДКрыбохоз.

 

Класс 1

Медные и медно-цинковые, залегающие в кислых породах

 

890,0

 

890000

 

Класс 2

Медные и медно-цинковые, залегающие в основных и карбонатных породах

 

35,0

 

35000

Класс 3

Медные, залегающие в глинистых породах

9,5

9500

Класс 4

Медно-цинковые метаколлоидные

5,0

5000

 

Класс 5

Медно-свинцово-цинковые, залегающие в породах кислого состава

 

3,5

 

3500

 

Класс 6

Медно-свинцово-цинковые, залегающие в породах основного состава

 

0,75

 

7500

 

Класс 7

Окисленные молибденовые и медно-молибденовые

 

0,5

 

500

 

Класс 8

Сульфидные медно-молибденовые с высокой и средней дефектностью кристаллической структуры

 

0,2

 

200

Химическая и минералогическая характеристика отвальных руд и пород цветной металлургии и химической промышленности для оценки их класса опасности приведены в табл. 3. По минеральному и фазовому составу соединений металлов  складированных руд и пород можно определить степень их опасности путем сравнения данных об отвале с данными этой таблицы.

Первый этап оценки степени опасности - это сбор данных об отвале: минеральный состав складированных обломков; фазовый состав руд и пород, складированных в отвал; гранулометрический состав складированных обломков; морфометрические характеристики отвала; объем и масса отвала; гидрологические условия площадки складирования.

Таблица 3

Химическая и минералогическая характеристика отвальных руд и пород цветной металлургии и химической промышленности для оценки их класса опасности[6]

Класс опасности руд в отвале

Основные минералы главных металлов-загрязнителей

Вмещающие породы

Содержание оксидов главных металлов-загрязнителей в минералах, %

Содержание в рудах, %

пород основного состава (щелочные и карбонатные)

глинистых пород

 

 

Класс 1

Малахит, брошантит, азурит, халькозин, ковеллин, борнит, цинкит, гослерит, сфалерит

Кислые и средние изверженные породы, вторичные кварциты, песчаники

20-60

1-5

1-5

 

Класс 2

Малахит, псевдомалахит, гётит, магнетит,  сфалерит, смитсонит

Габбро, средние и основные эффузивы

5-35

7-10

5-10

 

Класс 3

Малахит, хризоколла, лимонит, гётит,

ковеллин, тенорит

Измененные сиенито-диориты, моноциты, средние и основные эффузивы

20-35

2-5

5-20

 

Класс 4

Халькопирит и сфалерит с высокой дефектностью кристаллической структуры

Кислые эффузивы (порфиры, кератофиры, альбитофиры)

15

5-7

1-5

 

 

Класс 5

Смитсонит, церуссит, пирит, сфалерит, галенит, в меньшей степени халькопирит, блеклая руда, свинцовые охры, ковеллин, малахит, госларит и халькантит,

Кварцево-серицитовые сланцы, кварцевые кератофиры, алевропелиты, туфы и лавы кислого и среднего состава, микроклин-плагиоклазовые граниты, альбитофиры, граниты

20-60

5-15

5-10

 

Класс 6

Пирит, сфалерит, галенит, халькопирит, ковеллин, смитсонит, церуссит, ангизит

Кварц, калиевый полевой шпат, серицит, карбонат, биотит измененный, гидроксиды железа, ярозит

20-30

7-15

5-8

 

Класс 7

Повелит, ферримолибдит, вульфенит, малахит, азурит

Серицитизированные, слабокалинизированные, хлоритизированные, ожелезненные, биотитовые граниты, гранодиориты

18-25

3-10

5-13

 

Класс 8

Молибденит, халькопирит, в меньшей степени ферримолибдит, марказит, борнит, малахит, повеллит

Биотитовые граниты, мелкозернистые граниты, гранодиориты, липариты, кварцсерицитовыеметасоматиты, кварц, полевой шпат, биотит

5-12

4-8

5-8

Эти данные могут быть получены из следующих источников: паспорт отвала; материалы разведочных работ, проводимых на различных этапах оценки запасов отрабатываемых горизонтов рудного тела; данные опробования отгружаемой из забоя горной массы; показатели потерь и разубоживания добываемой руды с учетом особенностей геологического строения месторождения; результаты научно-исследовательских работ, проводимых на месторождении в ходе его отработки; данные геолого-маркшейдерского учета движения запасов, установленных разведочными работами, при отработке месторождения; отчет по оценке воздействия отвала на окружающую среду; другая имеющаяся документация по разработке и использованию месторождения; гидрологические справочники по территории.Если в указанных документах всех требуемых данных нет, то следует провести опробование отвала.

В настоящее время для каждого класса руд и пород разработаны технологические схемы проведения процесса, определены оптимальные режимы химической рекультивации.Исследованиями также установлено, что в ряде случаев при осуществлении химической рекультивации возможно не только очистить техногенное образование от легкорастворимых металлов-загрязнителей, но и окупить понесенные затраты. 

Заключение

Таким образом, определив класс опасности отвала, можно знать  приблизительное содержание металлов-загрязнителей в стоке из-под отвала, а на этом основании в дальнейшемрекомендовать метод химической рекультивации. Кроме того, это позволит заранее определить извлечение металла при проведении химической рекультивации, что позволит сделать выводы о рентабельности того или иного способа предотвращения загрязнения водных объектов.

Рецензенты:

Пищиков Г.Б., д.т.н., профессор кафедры пищевой инженерии и экологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет», г. Екатеринбург.

Бондаренко В.В., д.т.н., профессор кафедры техносферной безопасности ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения», г. Екатеринбург.


Библиографическая ссылка

Рыбаков Ю.С., Дальков М.П. ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=20580 (дата обращения: 20.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074