Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

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.

Статья в формате PDF

176 KB

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

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

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]

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.

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